Control Valves

Ce tutoriel décrit brièvement les composants de base des différents types de control valves à action linéaire et rotative disponibles pour une utilisation dans les systèmes de steam et d’eau.

Le Bloc 6 de la Boucle de Steam et de Condensate considère les aspects pratiques de la commande, mettant en pratique la théorie de commande de base discutée dans le Bloc 5.

Un système de commande de base consisterait normalement en les composants suivants :

• Control valves
• Actionneurs
• Contrôleurs
• Capteurs Tous ces termes sont génériques et chacun peut inclure de nombreuses variations et caractéristiques. Avec l’avancée de la technologie, la ligne de démarcation entre les équipements individuels et leurs définitions devient moins claire. Par exemple, le positionneur, qui traditionnellement ajustait la valve à une position particulière dans sa plage de course, peut maintenant :
• Recevoir une entrée directement d’un capteur et fournir une fonction de commande.
• Interfacer avec un ordinateur pour modifier les fonctions de commande et exécuter des routines de diagnostic.
• Modifier les mouvements de la valve pour altérer les caractéristiques de la control valve.
• Interfacer avec les systèmes de communication numériques de l’installation. Cependant, pour des raisons de clarté à ce stade, chaque élément d’équipement sera considéré séparément.

Control Valves

Bien qu’une grande variété de types de valves existent, ce document se concentrera sur celles les plus largement utilisées dans la commande automatique du steam et d’autres fluides industriels. Celles-ci incluent :

• Les types de valves ayant un mouvement de tige linéaire et rotatif.
• Les types linéaires incluent les vannes à soupape et les vannes à glissière.
• Les types rotatifs incluent les vannes à boisseau sphérique, les vannes papillon, les vannes à boisseau conique et leurs variantes. Le premier choix à faire est entre les valves à deux et trois voies.
• Les valves à deux voies « étranglent » (restreignent) le fluide les traversant.
• Les valves à trois voies peuvent être utilisées pour « mélanger » ou « dévier » le liquide les traversant.

Valves à deux voies

Vannes à soupape Les vannes à soupape sont fréquemment utilisées pour les applications de commande en raison de leur aptitude à étrangler le débit et de la facilité avec laquelle elles peuvent recevoir une « caractéristique » spécifique, reliant l’ouverture de la valve au débit. Deux types typiques de vannes à soupape sont montrés à la Figure 6.1.1. Un actionneur couplé à la tige de la valve fournirait le mouvement de la valve.

Les principales pièces constitutives des vannes à soupape sont :

• Le corps.
• Le chapeau.
• Le siège de valve et le clapet de valve, ou garniture.
• La tige de valve (qui se connecte à l’actionneur).
• Le dispositif d’étanchéité entre la tige de valve et le chapeau. La Figure 6.1.2 est une représentation schématique d’une vanne à soupape à deux voies à siège unique. Dans ce cas, l’écoulement du fluide pousse contre le clapet de la valve et tend à maintenir le clapet hors du siège de la valve.

La différence de pression en amont (P1) et en aval (P2) de la valve, contre laquelle la valve doit se fermer, est connue sous le nom de pression différentielle (ΔP). La pression différentielle maximale contre laquelle une valve peut se fermer dépendra de la taille et du type de valve et de l’actionneur l’actionnant.

En termes généraux, la force requise de l’actionneur peut être déterminée en utilisant l’Équation 6.1.1.

Dans un système de steam, la pression différentielle maximale est généralement supposée être la même que la pression absolue amont. Cela permet de tenir compte de conditions de vide possibles en aval de la valve lorsque celle-ci se ferme. La pression différentielle dans un système d’eau fermé est la hauteur manométrique différentielle maximale de la pompe.

Si une valve plus grande, ayant un orifice plus grand, est utilisée pour laisser passer de plus grands volumes du milieu, alors la force que l’actionneur doit développer pour fermer la valve augmentera également. Lorsque de très grandes capacités doivent être passées avec de grandes valves, ou lorsque des pressions différentielles très élevées existent, le point sera atteint où il devient impraticable de fournir une force suffisante pour fermer une valve conventionnelle à siège unique. Dans de telles circonstances, la solution traditionnelle à ce problème est la valve à deux voies à double siège. Comme son nom l’indique, la valve à double siège a deux clapets de valve sur une tige commune, avec deux sièges de valve. Non seulement les sièges de valve peuvent être maintenus plus petits (puisqu’il y en a deux) mais aussi, comme on peut le voir à la Figure 6.1.3, les forces sont partiellement équilibrées. Cela signifie que bien que la pression différentielle essaie de maintenir le clapet de valve supérieur hors de son siège (comme avec une valve à siège unique), elle essaie également de pousser vers le bas et de fermer le clapet de valve inférieur.

Cependant, un problème potentiel existe avec toute valve à double siège. En raison des tolérances de fabrication et des coefficients de dilatation différents, peu de valves à double siège peuvent garantir une bonne étanchéité de fermeture.

Étanchéité de fermeture

Les fuites des control valves sont classées par rapport à la quantité que la valve fuira lorsqu’elle est complètement fermée. Le taux de fuite à travers une valve à double siège standard est au mieux de Classe III, (une fuite de 0,1% du débit total) ce qui peut être trop pour certaines applications. Par conséquent, parce que les chemins d’écoulement à travers les deux ports sont différents, les forces peuvent ne pas rester en équilibre lorsque la valve s’ouvre. Diverses normes internationales existent qui formalisent les taux de fuite dans les control valves. Les taux de fuite suivants sont tirés de la norme britannique BS 5793 Partie 4 (IEC 60534-4). Pour une valve à siège unique standard non équilibrée, le taux de fuite sera normalement de Classe IV, (0,01% du débit total), bien qu’il soit possible d’obtenir la Classe V, (1,8 x 105 x pression différentielle (bar) x diamètre du siège (mm)). En général, plus le taux de fuite est bas, plus le coût est élevé.

Vannes à siège unique équilibrées

En raison du problème de fuite associé aux valves à double siège, lorsqu’une fermeture étanche est requise, une valve à siège unique doit être spécifiée. Les forces nécessaires pour fermer une vanne à soupape à siège unique augmentent considérablement avec la taille de la valve. Certaines valves sont conçues avec un mécanisme d’équilibrage pour réduire la force de fermeture nécessaire, en particulier sur les valves fonctionnant avec des pressions différentielles élevées. Dans une valve à piston équilibré, une partie de la pression du fluide amont est transmise via des chemins internes dans un espace au-dessus du clapet de valve, qui agit comme une chambre d’équilibrage de pression. La pression contenue dans cette chambre fournit une force descendante sur le clapet de valve comme montré à la Figure 6.1.4, équilibrant la pression amont et aidant la force normale exercée par l’actionneur, pour fermer la valve.

Vannes à glissière, à tige

Les vannes à glissière ont tendance à être de deux conceptions différentes ; type coin et type à glissière parallèle. Les deux types sont bien adaptés pour isoler l’écoulement du fluide, car ils donnent une fermeture étanche et, lorsqu’elles sont ouvertes, la chute de pression à travers elles est très faible. Les deux types sont utilisés comme vannes à commande manuelle, mais si un actionnement automatique est requis, la vanne à glissière parallèle est généralement choisie, que ce soit pour l’isolation ou la commande. Des valves typiques sont montrées à la Figure 6.1.5.

La vanne à glissière parallèle se ferme au moyen de deux disques coulissants à ressort (ressorts non montrés), qui traversent le chemin d’écoulement du fluide, la pression du fluide assurant une jointure étanche entre le disque aval et son siège. Les vannes à glissière parallèle de grande taille sont utilisées dans les conduites principales de steam et d’alimentation dans les industries de l’énergie et des processus pour isoler des sections de l’installation. Les vannes à glissière parallèle de petit diamètre sont également utilisées pour la commande des services auxiliaires de steam et d’eau bien que, principalement en raison du coût, ces tâches soient souvent réalisées avec des vannes à boisseau sphérique à actionnement et des vannes à piston.

Valves de type rotatif

Les valves de type rotatif, souvent appelées valves à quart de tour, incluent les vannes à boisseau conique, les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon. Toutes nécessitent un mouvement rotatif pour ouvrir et fermer, et peuvent facilement être équipées d’actionneurs.

Vannes à boisseau conique excentrique

La Figure 6.1.6 montre une vanne à boisseau conique excentrique typique. Ces valves sont normalement installées avec la tige du boisseau conique horizontale comme montré, et l’actionneur attaché situé à côté de la valve. Les vannes à boisseau conique peuvent inclure des liaisons entre le boisseau conique et l’actionneur pour améliérer le levier et la force de fermeture, et des positionneurs spéciaux qui modifient la caractéristique intrinsèque de la valve en une caractéristique à pourcentage égal plus utile (les caractéristiques de valve sont discutées dans le Module 6.5).

Vannes à boisseau sphérique

La Figure 6.1.7 montre une vanne à boisseau sphérique consistant en une boule sphérique logée entre deux joints d’étanchéité dans un corps simple. La boule a un trou permettant au fluide de passer. Lorsqu’elle est alignée avec les extrémités du tuyau, cela donne soit un passage pleine section ou presque pleine section avec très peu de chute de pression. La rotation de la boule de 90° ouvre et ferme le passage d’écoulement. Les vannes à boisseau sphérique conçues spécifiquement pour la commande auront des boules ou des sièges profilés, pour donner un schéma d’écoulement prévisible.

Les vannes à boisseau sphérique constituent un moyen économique de fournir une commande avec fermeture étanche pour de nombreux fluides y compris le steam à des températures allant jusqu’à 250°C (38 bar g, steam saturé). Au-dessus de cette température, des matériaux de siège spéciaux ou des sièges métal sur métal sont nécessaires, ce qui peut être coûteux. Les vannes à boisseau sphérique sont facilement actionnées et souvent utilisées pour l’isolation et la commande à distance. Pour les applications de commande critiques, des boules segmentées et des boules avec des trous de forme spéciale sont disponibles pour fournir différentes caractéristiques d’écoulement.

Vannes papillon

La Figure 6.1.8 est un schéma simple d’une vanne papillon, qui consiste en un disque tournant dans des paliers de pivotement. En position ouverte, le disque est parallèle à la paroi du tuyau, permettant un écoulement complet à travers la valve. En position fermée, il est tourné contre un siège et perpendiculaire à la paroi du tuyau.

Traditionnellement, les vannes papillon étaient limitées aux basses pressions et températures, en raison des limitations intrinsèques des sièges souples utilisés. Actuellement, des valves avec des sièges à haute température ou des sièges métal sur métal de haute qualité et spécialement usinés sont disponibles pour surmonter ces inconvénients. Les vannes papillon standard sont maintenant utilisées dans des applications de commande simples, en particulier dans les grandes tailles et là où une plage de modulation limitée est requise.

Des vannes papillon spéciales sont disponibles pour des applications plus exigeantes. Un fluide circulant à travers une vanne papillon crée une faible chute de pression, en ce sens que la valve présente peu de résistance à l’écoulement lorsqu’elle est ouverte. En général cependant, leurs limites de pression différentielle sont inférieures à celles des vannes à soupape. Les vannes à boisseau sphérique sont similaires sauf que, en raison de leurs différents dispositifs d’étanchéité, elles peuvent fonctionner contre des pressions différentielles plus élevées que les vannes papillon équivalentes.

Options

Il y a toujours un certain nombre d’options à considérer lors du choix d’une control valve. Pour les vannes à soupape, celles-ci incluent un choix de matériau de garniture de presse-étoupe de tige et de configurations de garniture de presse-étoupe, qui sont conçus pour rendre la valve adaptée à l’utilisation à des températures plus élevées ou pour différents fluides. Quelques exemples de ceux-ci peuvent être vus dans les schémas simples à la Figure 6.1.9. Il convient de noter que certains types de garniture de presse-étoupe produisent une plus grande friction avec la tige de valve que d’autres. Par exemple, le type traditionnel de garniture à boîte à étoupe créera une plus grande friction que le type chevron à ressort PTFE ou le type à soufflet. Une plus grande friction nécessite une force d’actionneur plus élevée et aura une propension accrue à des mouvements aléatoires. La garniture à ressort se réajuste à mesure qu’elle s’use. Cela réduit le besoin d’entretien manuel régulier. Les vannes à soufflet sont les plus coûteuses de ces trois types, mais offrent une friction minimale avec le meilleur mécanisme d’étanchéité de tige. Comme on peut le voir à la Figure 6.1.9, les vannes à soufflet ont généralement un autre ensemble de garniture traditionnelle en haut du logement de la tige de valve. Cela agira comme une défense ultime contre tout risque de fuite à travers la tige vers l’atmosphère.

Les valves ont également différentes manières de guider le clapet de valve à l’intérieur du corps. Une méthode de guidage commune, comme dépeinte à la Figure 6.1.10, est la méthode « double guidage », où la tige est guidée à la fois en haut et en bas de sa longueur. Un autre type est la méthode « clapet guidé » où le clapet peut être guidé par une cage ou un cadre. Certaines valves peuvent utiliser des clapets perforés, qui combinent le guidage du clapet et la réduction du bruit.

Résumé des valves à deux voies utilisées pour la commande automatique

De loin le type de valve le plus largement utilisé pour la commande automatique des processus et applications de steam est la vanne à soupape. Elle est relativement facile à actionner, elle est polyvalente, et possède des caractéristiques intrinsèques bien adaptées aux besoins de commande automatique du steam. Il faut également dire que les control valves à deux voies sont également utilisées dans les systèmes liquides, tels que les systèmes d’eau chaude à basse, moyenne et haute température, et les systèmes d’huile thermique. Les systèmes liquides portent un besoin intrinsèque d’être équilibrés en ce qui concerne les débits massiques. Dans de nombreux cas, les systèmes sont conçus où les valves à deux voies peuvent être utilisées sans détruire l’équilibre des réseaux de distribution. Cependant, lorsque les valves à deux voies ne peuvent pas être utilisées sur un système liquide, des valves à trois voies sont installées, qui maintiennent intrinsèquement un équilibre à travers le système de distribution, en agissant de manière à dévier ou à mélanger.

Valves à trois voies

Les valves à trois voies peuvent être utilisées soit pour le service de mélange soit pour le service de déviation selon l’agencement du clapet et du siège à l’intérieur de la valve. Une définition simple de chaque fonction est montrée à la Figure 6.1.11.

Vannes à piston

Ce type de valve a un piston creux, (Figure 6.1.12), qui est déplacé vers le haut et vers le bas par l’actionneur, recouvrant et découvrant correspondamment les deux ports A et B. Le port A et le port B ont la même aire de transit de fluide globale et, à tout moment, l’aire transversale cumulative des deux est toujours égale. Par exemple, si le port A est ouvert à 30%, le port B est ouvert à 70%, et vice versa. Ce type de valve est intrinsèquement équilibré et est alimenté par un système de commande auto-régulateur. Remarque : La configuration des ports peut différer entre les fabricants.

Valves à trois voies de type soupape (également appelées « lift and lay »)

Ici, l’actionneur pousse un disque ou une paire de clapets de valve entre deux sièges (Figure 6.1.13), augmentant ou diminuant le débit à travers les ports A et B de manière correspondante.

Remarque : Une caractéristique linéaire est obtenue en profilant la jupe du clapet (voir Figure 6.1.14).

Valve à trois voies à sabot rotatif

Ce type de valve utilise un sabot rotatif, qui se déplace d’avant en arrière sur les faces des ports. L’agencement schématique à la Figure 6.1.15 illustre une application de mélange avec environ 80% s’écoulant à travers le port A et 20% à travers le port B, 100% sortant par le port AB.

Utilisation des valves à trois voies

Tous les types ne peuvent pas être utilisés à la fois pour le service de mélange et de déviation. La Figure 6.1.16 montre l’application incorrecte d’une vanne à soupape fabriquée comme valve de mélange mais utilisée comme valve de déviation.

Le fluide entrant dans la valve par le port AB peut sortir par l’un des deux ports de sortie A ou B, ou une proportion peut sortir par chacun. Avec le port A ouvert et le port B fermé, la pression différentielle du système sera appliquée d’un côté du clapet.

Lorsque le port A est fermé, le port B est ouvert, et la pression différentielle sera appliquée de l’autre côté du clapet. À une position intermédiaire du clapet, la pression différentielle s’inversera. Cette inversion de pression peut provoquer un déplacement du clapet hors de position, donnant une mauvaise commande et un bruit possible lorsque le clapet « claque » contre son siège. Pour surmonter ce problème sur une valve à clapet conçue pour la déviation, une configuration de siège différente est utilisée, comme montré à la Fig. 6.1.17. Ici, la pression différentielle est appliquée également aux mêmes côtés des deux clapets de valve en permanence.

Dans les circuits fermés, il est possible d’utiliser des valves de mélange ou des valves de déviation, selon la conception du système, comme dépeint dans les Figures 6.1.18 et 6.1.19.

Dans la Figure 6.1.18, la valve est conçue comme une valve de mélange car elle a deux entrées et une sortie. Cependant, lorsqu’elle est placée dans la tuyauterie de retour depuis la charge, elle effectue en réalité une fonction de déviation, car elle dévie l’eau chaude de l’échangeur de chaleur.

Considérons la valve de mélange utilisée dans la Figure 6.1.18, lorsque l’échangeur de chaleur demande un maximum de chaleur, peut-être au démarrage, le port A sera complètement ouvert et le port B complètement fermé. La totalité de l’eau passant de la chaudière traverse l’échangeur de chaleur et passe à travers la valve via les ports AB et A. Lorsque la charge thermique est satisfaite, le port A sera complètement fermé et le port B complètement ouvert, et la totalité de l’eau passant de la chaudière contourne la charge et passe à travers la valve via les ports AB et B. En ce sens, l’eau est détournée de l’échangeur de chaleur en fonction des exigences de la charge thermique.

Le même effet peut être obtenu en installant une valve de déviation dans la tuyauterie d’écoulement, comme dépeint par la Figure 6.1.19.