Clapets anti-retour

Les clapets anti-retour sont installés dans les tuyauteries pour ne permettre l’écoulement que dans une seule direction ; ils aident à protéger les équipements et les processus. Le fonctionnement, les avantages, les applications et la sélection de différentes conceptions, y compris les clapets à levée, à disque, à battant et en wafer, sont expliqués dans ce tutoriel.

Les clapets anti-retour sont installés dans les systèmes de tuyauterie pour ne permettre l’écoulement que dans une seule direction. Ils sont entièrement actionnés par réaction au fluide de la ligne et ne nécessitent donc aucun actionnement externe. Dans ce texte, la direction attendue ou souhaitée de l’écoulement est appelée « écoulement direct », l’écoulement dans la direction opposée est l’« écoulement inverse ».

Il existe plusieurs raisons d’utiliser des clapets anti-retour, qui comprennent :

• La protection de tout élément d’équipement pouvant être affecté par l’écoulement inverse, tels que les débitmètres, les filtres et les vannes de régulation.
• Pour contrer les surpressions associées aux forces hydrauliques, par exemple le coup de bélier. Ces forces hydrauliques peuvent provoquer une onde de pression qui remonte et descend dans la tuyauterie jusqu’à ce que l’énergie soit dissipée.

Bien que les clapets anti-retour puissent effectivement interrompre l’écoulement inverse, ils ne doivent jamais être utilisés à la place d’une vanne d’isolement pour contenir de la vapeur vive dans une section de tuyauterie.

Comme pour les vannes d’isolement, il existe un certain nombre de conceptions différentes de clapets anti-retour, chacune adaptée à des applications spécifiques. Les différents types de clapets anti-retour et leurs applications sont discutés dans ce module, ainsi que la méthode de dimensionnement correcte.

Clapets anti-retour à levée

Les clapets anti-retour à levée sont de configuration similaire aux vannes à soupape, sauf que le disque ou le clapet est actionné automatiquement. Les orifices d’entrée et de sortie sont séparés par un clapet conique qui repose sur un siège typiquement métallique ; dans certaines vannes, le clapet peut être maintenu sur son siège à l’aide d’un ressort. Lorsque l’écoulement dans la vanne est dans la direction directe, la pression du fluide soulève le cône de son siège, ouvrant la vanne. En écoulement inverse, le cône revient sur son siège et est maintenu en place par la pression de l’écoulement inverse.

Si un siège métallique est utilisé, le clapet anti-retour à levée n’est adapté qu’aux applications où une petite quantité de fuite en conditions d’écoulement inverse est acceptable. De plus, la conception d’un clapet anti-retour à levée limite généralement son utilisation aux applications d’eau, par conséquent, ils sont couramment utilisés pour empêcher l’écoulement inverse du condensat dans les purgeurs de vapeur et sur les sorties des pompes à condensat cycliques.

L’avantage principal du clapet anti-retour à levée réside dans sa simplicité, et comme le cône est la seule pièce mobile, la vanne est robuste et nécessite peu de maintenance. De plus, l’utilisation d’un siège métallique limite l’usure du siège. Le clapet anti-retour à levée a deux limitations majeures ; premièrement, il est conçu uniquement pour l’installation dans des tuyauteries horizontales, et deuxièmement, sa taille est généralement limitée à DN80, au-delà de quoi la vanne deviendrait trop volumineuse. Le clapet anti-retour à levée de type piston est une variante du clapet anti-retour à levée standard. Il incorpore un clapet en forme de piston au lieu du cône, et un amortisseur est appliqué à ce mécanisme. L’amortisseur produit un effet d’amortissement pendant le fonctionnement, éliminant ainsi les dommages causés par le fonctionnement fréquent de la vanne, par exemple dans les systèmes de tuyauterie soumis à des surpressions, ou à des changements fréquents de direction d’écoulement (un exemple serait la sortie de chaudière).

Clapets anti-retour à battant

Un clapet anti-retour à battant se compose d’un clapet ou disque du même diamètre que le diamètre intérieur du tuyau, qui pend dans le chemin d’écoulement. En écoulement direct, la pression du fluide force le disque à pivoter vers le haut, permettant l’écoulement à travers la vanne. L’écoulement inverse provoquera la fermeture du disque contre le siège et arrêtera le fluide de retourner dans le tuyau. En l’absence d’écoulement, le poids du clapet est responsable de la fermeture de la vanne ; cependant, dans certains cas, la fermeture peut être assistée par l’utilisation d’un levier à contrepoids. Comme on peut le voir à la Figure 12.3.2, tout le mécanisme est enfermé dans un corps, qui permet au clapet de se rétracter hors du chemin d’écoulement.

Les clapets anti-retour à battant produisent une résistance relativement élevée à l’écoulement en position ouverte, en raison du poids du disque. De plus, ils créent des turbulences, car le clapet « flotte » sur le flux de fluide. Cela signifie qu’il y a typiquement une perte de charge plus importante à travers un clapet anti-retour à battant qu’à travers d’autres types.

Avec des changements brusques de débit, le disque peut claquer contre le siège de la vanne, ce qui peut provoquer une usure significative du siège et générer un coup de bélier le long du système de tuyauterie. Cela peut être surmonté en installant un mécanisme d’amortissement sur le disque et en utilisant des sièges métalliques pour limiter l’usure du siège.

Clapets anti-retour en wafer

Les clapets anti-retour à levée et à battant ont tendance à être volumineux, ce qui limite leur taille et les rend coûteux. Pour surmonter cela, des clapets anti-retour en wafer ont été développés. Par définition, les clapets anti-retour en wafer sont ceux conçus pour s’insérer entre une paire de brides. Cette définition large couvre une variété de conceptions différentes, y compris les clapets anti-retour à disque et les versions wafer des clapets anti-retour à battant ou à disque fendu.

Clapets anti-retour à disque

Le clapet anti-retour à disque se compose de quatre éléments principaux : le corps, un disque, un ressort et un dispositif de retenue du ressort. Le disque se déplace dans un plan à angle droit par rapport à l’écoulement du fluide, freiné par le ressort qui est maintenu en place par le dispositif de retenue. Le corps est conçu pour agir comme un collier de centrage intégré qui facilite l’installation. Lorsqu’un étanchéité « zéro fuite » est requise, un siège souple peut être inclus.

Lorsque la force exercée sur le disque par la pression amont est supérieure à la force exercée par le ressort, le poids du disque et toute pression aval, le disque est forcé de se soulever de son siège, permettant l’écoulement à travers la vanne. Lorsque la pression différentielle à travers la vanne est réduite, le ressort force le disque à revenir sur son siège, fermant la vanne juste avant que l’écoulement inverse ne se produise. Ceci est illustré à la Figure 12.3.4. La présence du ressort permet au clapet anti-retour à disque d’être installé dans n’importe quelle direction.

La pression différentielle nécessaire pour ouvrir le clapet anti-retour est principalement déterminée par le type de ressort utilisé. En plus du ressort standard, il existe plusieurs options de ressort disponibles :

• Pas de ressort - Utilisé lorsque la pression différentielle à travers la vanne est faible.
• Ressort Nimonic - Utilisé dans les applications à haute température.
• Ressort renforcé - Cela augmente la pression d’ouverture requise. Lorsqu’il est installé dans la ligne d’eau d’alimentation de la chaudière, il peut être utilisé pour empêcher les chaudières vapeur de se remplir lorsqu’elles ne sont pas sous pression. Comme pour tous les clapets anti-retour en wafer, la taille du clapet anti-retour à disque est déterminée par la taille de la tuyauterie associée. Cela garantit généralement que la vanne est correctement dimensionnée, mais il y a des cas où la vanne est sur- ou sous-dimensionnée. Un clapet anti-retour surdimensionné est souvent indiqué par un bruit de claquement continu de la vanne, qui est l’ouverture et la fermeture répétées de la vanne qui se produit lorsque la vanne n’est que partiellement ouverte. Cela est dû au fait que lorsque la vanne s’ouvre, il y a une chute de la pression amont ; si cette chute de pression signifie que la pression différentielle à travers la vanne tombe en dessous de la pression d’ouverture requise, la vanne se refermera brusquement. Dès que la vanne se ferme, la pression commence à remonter, et ainsi la vanne s’ouvre et le cycle se répète. Le surdimensionnement peut généralement être corrigé en sélectionnant une vanne plus petite, mais il convient de noter que cela augmentera la perte de charge à travers la vanne pour un débit donné. Si cela n’est pas acceptable, il peut être possible de surmonter les effets du claquement en réduisant la force de fermeture sur le disque. Cela peut être fait soit en utilisant un ressort standard au lieu d’un renforcé, soit en retirant complètement le ressort. Une autre alternative est d’utiliser un siège souple ; cela n’empêche pas le claquement mais réduit plutôt le bruit. Il faut cependant être prudent, car cela peut provoquer une usure excessive du siège. Le sous-dimensionnement entraîne une perte de charge excessive à travers la vanne et, dans les cas extrêmes, peut même empêcher l’écoulement. La solution est de remplacer la vanne sous-dimensionnée par une plus grande. Les clapets anti-retour à disque sont plus petits et plus légers que les clapets à levée et à battant standard et coûtent donc moins cher. La taille d’un clapet anti-retour à disque est cependant limitée à DN125 ; au-delà, la conception devient compliquée. Typiquement, une telle conception inclurait un disque conique et un ressort de petit diamètre retenu et guidé le long de l’axe central du cône, ce qui est plus difficile et plus coûteux à fabriquer. Même alors, de telles conceptions restent limitées en taille à DN250. Les clapets anti-retour à disque standard ne doivent pas être utilisés sur les applications où il y a un écoulement fortement pulsé, par exemple sur la sortie d’un compresseur d’air à piston, car l’impact répété du disque peut entraîner la défaillance du dispositif de retenue et des niveaux de contrainte élevés dans le ressort. Des dispositifs de retenue spécialement conçus sont disponibles pour de telles applications. Ces conceptions réduisent généralement la course du disque, ce qui augmente efficacement la résistance à l’écoulement et donc augmente la perte de charge à travers la vanne. La conception des clapets anti-retour à disque permet leur installation dans n’importe quelle position, y compris dans des tuyauteries verticales où le fluide s’écoule vers le bas.

Clapets anti-retour en wafer à battant

Ceux-ci sont similaires aux clapets anti-retour à battant standard, mais n’ont pas la disposition à corps complet. Au lieu de cela, lorsque la vanne s’ouvre, le clapet est forcé vers le haut de la tuyauterie. Par conséquent, le clapet doit avoir un diamètre inférieur à celui de la tuyauterie, et à cause de cela, la perte de charge à travers la vanne, souvent élevée pour les vannes à battant, est encore augmentée. Les clapets anti-retour à battant sont utilisés principalement sur les plus grandes tailles de tuyauterie, typiquement au-dessus de DN125, car sur les petites tuyauteries, la perte de charge, causée par le disque « flottant » sur le flux de fluide, devient significative. De plus, il y a des économies significatives à réaliser en utilisant ces vannes sur les grandes tailles, en raison de la petite quantité de matériau nécessaire pour la construction de la vanne. Il y a cependant un problème avec l’utilisation de vannes de plus grande taille ; en raison de leur taille, les disques sont particulièrement lourds et possèdent donc une grande quantité d’énergie cinétique lorsqu’ils se ferment. Cette énergie est transférée au siège et au fluide de processus lorsque la vanne se ferme brusquement, ce qui pourrait endommager le siège de la vanne et générer un coup de bélier.

Applications des clapets anti-retour en wafer

Les clapets anti-retour en wafer deviennent le type préféré de clapet anti-retour pour la plupart des applications, en raison de leur conception compacte et de leur coût relativement faible. Ce qui suit est une liste de certaines de leurs applications les plus courantes :

• Lignes d’alimentation de chaudière - Le clapet anti-retour est utilisé pour empêcher l’eau de chaudière d’être refoulée le long de la ligne d’alimentation vers le réservoir de stockage lorsque la pompe d’alimentation s’arrête. De plus, un clapet anti-retour à disque avec un ressort renforcé et un siège souple peut être installé dans la ligne d’alimentation de la chaudière pour empêcher l’écoulement par gravité dans la chaudière lorsque la pompe d’alimentation est arrêtée.

• Purgeurs de vapeur - À l’exception des purgeurs de vapeur évacuant vers l’atmosphère, un clapet anti-retour doit toujours être inséré après un purgeur de vapeur pour empêcher le reflux du condensat de noyer l’espace vapeur. Le clapet anti-retour empêchera également le purgeur de vapeur d’être endommagé par tout choc hydraulique dans la ligne de condensat. Il convient de noter que lors de l’utilisation de purgeurs de vapeur à décharge par impulsion, le clapet anti-retour doit être installé au moins à 1 m en aval du purgeur.

• Circuits d’eau chaude - Un clapet anti-retour doit être installé après chaque pompe pour empêcher l’écoulement inverse à travers la pompe lorsqu’elle a été arrêtée (voir Figure 12.3.8).

• Coupe-vide - Les clapets anti-retour peuvent être utilisés comme coupe-vide, en les installant à l’envers. Lorsqu’un vide est créé, la vanne s’ouvre, permettant à l’air d’être aspiré depuis l’atmosphère (voir Figure 12.3.9).

• Mélange - Un clapet anti-retour doit être installé dans chaque ligne d’alimentation pour empêcher l’écoulement inverse le long des différentes lignes qui entraînerait une contamination. Une application de mélange courante est le mélange d’eau chaude et froide pour fournir de l’eau chaude (voir Figure 12.3.10).

• Protection des accessoires de tuyauterie - Les clapets anti-retour sont utilisés pour empêcher les dommages aux équipements tels que les débitmètres et les vannes de régulation, qui peuvent tous être endommagés par l’écoulement inverse. Les clapets anti-retour empêchent également le contenu des filtres d’être déposé dans la tuyauterie amont par le fluide en reflux.
• Applications multi-chaudières - Un clapet anti-retour doit être inséré sur la sortie de chaque chaudière pour empêcher toute vapeur de pénétrer dans des chaudières qui pourraient être en veille chaude (voir Figure 12.3.11).

• Réservoirs de blowdown - Lorsqu’un réservoir de blowdown reçoit le blowdown de plus d’une chaudière, un clapet anti-retour en wafer doit être installé sur chaque ligne de blowdown séparée. Cela empêchera le blowdown d’une chaudière de refluer dans une autre chaudière. Dans de nombreux pays, c’est une exigence réglementaire.
• Réservoirs de vapeur flash - Un clapet anti-retour en wafer est installé à la sortie de vapeur flash du réservoir de vapeur flash ; cela garantit que la vapeur de toute vanne d’appoint ne reflue pas dans le réservoir de vapeur flash (voir Figure 12.3.12). Un clapet anti-retour est également installé après le purgeur de vapeur qui draine le réservoir de vapeur flash.

Clapets anti-retour à disque fendu

Le clapet anti-retour à disque fendu ou clapet à double battant est conçu pour surmonter les limitations de taille et de perte de charge des clapets anti-retour en wafer à battant et à disque. Le clapet du clapet anti-retour à battant est essentiellement fendu et articulé en son centre, de sorte que les deux plaques de disque ne pivotent que dans une seule direction. Les plaques de disque sont maintenues contre le siège par un ressort de torsion monté sur la charnière. Afin de maintenir la charnière au centre du chemin d’écoulement, des goupilles de retenue montées à l’extérieur peuvent être utilisées. Ces goupilles de retenue sont une source courante de fuite de la vanne. Une conception améliorée fixe la charnière à l’intérieur, et comme le mécanisme de vanne est entièrement scellé dans le corps, les fuites vers l’atmosphère sont évitées (voir Figure 12.3.13).

La vanne est normalement fermée, car les plaques de disque sont maintenues fermées par le ressort de torsion. Lorsque le fluide s’écoule dans la direction directe, la pression du fluide provoque l’ouverture articulée des plaques de disque, permettant l’écoulement. Le clapet anti-retour est fermé par le ressort dès que l’écoulement cesse, avant que tout écoulement inverse ne puisse se produire.

L’ouverture et la fermeture fréquentes du clapet anti-retour à disque fendu provoqueraient rapidement des dommages au siège si les talons des plaques de disque étaient autorisés à frotter contre le siège lors de l’ouverture. Pour surmonter cela, le talon des plaques de disque se soulève lors de l’ouverture initiale de la vanne et les plaques pivotent purement sur la charnière par opposition à la face du siège.

Le type de clapet anti-retour à disque fendu a plusieurs avantages par rapport aux autres types de clapets anti-retour :

• La conception à disque fendu n’est pas limitée en taille et ces vannes ont été produites dans des tailles allant jusqu’à DN5400.
• La perte de charge à travers le clapet anti-retour à disque fendu est significativement inférieure à celle des autres types.
• Ils peuvent être utilisés avec des pressions d’ouverture plus faibles.
• Les clapets anti-retour à disque fendu peuvent être installés dans n’importe quelle position, y compris dans des tuyauteries verticales.

Autres types de clapets anti-retour

Les types de clapets anti-retour mentionnés ci-dessus sont les types les plus couramment rencontrés dans les systèmes vapeur, condensat et liquides. Cependant, plusieurs autres types sont également disponibles. Les trois types listés ci-dessous sont principalement adaptés aux applications liquides et peuvent donc être trouvés dans les systèmes de condensat :

• Clapet anti-retour à bille - Il se compose d’une bille recouverte de caoutchouc normalement assise sur l’entrée de la vanne, scellant l’entrée. Lorsqu’une pression est exercée sur la bille, elle est déplacée de son siège le long d’un rail de guidage, permettant au fluide de passer par l’entrée. Lorsque la pression du fluide diminue, la bille glisse de nouveau sur sa position sur le siège d’entrée. Note : Les clapets anti-retour à bille sont généralement utilisés uniquement dans les systèmes liquides, car il est difficile d’obtenir une étanchéité parfaite avec une bille.
• Clapet anti-retour à membrane - Un diaphragme en caoutchouc souple est placé dans un cône maillé ou perforé avec la pointe dans la direction de l’écoulement dans la tuyauterie (voir Figure 12.3.15). L’écoulement dans la direction directe dévie le diaphragme vers l’intérieur, permettant le libre passage du fluide. Lorsqu’il n’y a pas d’écoulement ou qu’une contre-pression existe, le diaphragme revient à sa position initiale, fermant la vanne. Note : Le matériau du diaphragme limite typiquement l’application du clapet anti-retour à membrane aux fluides en dessous de 180 °C et 16 bar.

• Clapet anti-retour à disque basculant - C’est similaire au clapet anti-retour à battant, mais avec le clapet pivoté devant son centre de pression et équilibré ou chargé par ressort pour adopter une position normalement fermée (voir Figure 12.3.16). Lorsque l’écoulement est dans la direction directe, le disque se soulève et « flotte » dans le flux offrant une résistance minimale à l’écoulement. Le disque est équilibré de sorte que lorsque l’écoulement diminue, il pivotera vers sa position fermée, se fermant avant que l’écoulement inverse ne commence réellement. Le fonctionnement est doux et silencieux dans la plupart des conditions. Note : en raison de la conception du clapet anti-retour à disque basculant, il est limité aux applications liquides uniquement.

Graphiques de perte de charge

Comme la plupart des types de clapets anti-retour sont adaptés aux systèmes liquides et gazeux, les fabricants montrent généralement la perte de charge à travers une vanne sous forme de graphique de perte de charge pour l’eau. Un graphique typique de perte de charge est illustré à la Figure 12.3.17. Il montre la perte de charge à travers un clapet anti-retour particulier pour une taille de vanne donnée et un débit d’eau en m³/h.

Afin de déterminer la perte de charge à travers le clapet anti-retour pour d’autres liquides, le débit volumétrique équivalent en eau doit être calculé, cela se fait en utilisant la formule de l’Équation 12.3.1 :

Une fois le débit volumétrique équivalent en eau déterminé, la perte de charge à travers la vanne peut être lue sur le graphique en utilisant la même méthode que pour l’eau, en sélectionnant le débit volumétrique équivalent en eau au lieu du débit volumétrique réel.

Il convient de noter que le débit volumétrique (en m³/h) est typiquement indiqué pour les applications liquides, tandis que, dans les applications vapeur, le débit massique (en kg/h) est normalement utilisé. Pour convertir de kg/h en m³/h, le débit massique est multiplié par le volume spécifique (en kg/m³) pour la pression et la température de travail particulières (voir Équation 12.3.2).

Alternativement, si la valeur Kv de la vanne est spécifiée, la perte de charge à travers la vanne peut être déterminée en utilisant la méthode décrite dans le Module 12.2. Exemple 12.3.1 Déterminer la perte de charge à travers un clapet anti-retour DN65 passant 1 200 kg/h de vapeur saturée à 8 bar g. Utiliser les caractéristiques de perte de charge illustrées à la Figure 12.3.17. Solution : La première étape est de calculer le débit volumétrique : D’après les tables de vapeur à 8 bar manométrique, vg = 0,214 9 m³/kg

En utilisant la Figure 12.3.18, la perte de charge à travers la vanne serait d’environ 0,085 bar.