Vannes d'isolation - Mouvement linéaire

Les vannes d’isolation sont utilisées pour dévier les fluides de processus, faciliter la maintenance, le retrait des équipements et l’arrêt des installations. Le fonctionnement, l’application et la construction des vannes à vanne, à boisseau, à piston et à membrane sont étudiés dans ce tutoriel.

Vannes d’isolation - Mouvement linéaire

Les vannes d’isolation sont un composant clé de tout système fluidique, car elles servent à arrêter l’écoulement du fluide dans une zone particulière du système. Elles sont également parfois utilisées pour contrôler manuellement le débit du fluide. La norme européenne EN 736-1:1995 distingue les vannes d’isolation, de régulation et de contrôle comme suit :

• Vanne d’isolation - Vanne destinée à être utilisée uniquement en position fermée ou entièrement ouverte.
• Vanne de régulation - Vanne destinée à être utilisée dans n’importe quelle position entre fermée et entièrement ouverte.
• Vanne de contrôle - Dispositif à commande motorisée qui modifie le débit du fluide dans un système de régulation de processus. Les vannes d’isolation sont utilisées dans une grande variété d’applications différentes où un contrôle de type marche/arrêt est requis, notamment :
• Déviation des fluides de processus.
• Isolation du débit pour :
• Faciliter la maintenance
• Permettre le retrait d’équipements
• Permettre l’arrêt de l’installation

Une multitude de types et de conceptions différents de vannes d’isolation ont été développés afin de répondre à cette gamme d’applications et aux diverses conditions de fonctionnement dans lesquelles elles sont utilisées. Les vannes sont couramment classées en deux groupes (voir Tableau 12.1.1), selon le mouvement de fonctionnement du dispositif de fermeture (ou obturateur) :

• Vannes à mouvement linéaire - L’obturateur se déplace en ligne droite. Dans cette catégorie figurent les vannes à vanne, les vannes à boisseau, les vannes à membrane et les vannes à pincement. Ces vannes sont traitées plus en détail dans ce module.
• Vannes à mouvement rotatif - L’obturateur tourne autour d’un axe perpendiculaire à la direction de l’écoulement. Les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon sont les deux types de vannes rotatives les plus importants associés aux applications vapeur et sont traitées plus en détail dans le Module 12.2, Vannes d’isolation - Mouvement rotatif.

Vannes à mouvement linéaire

Les vannes à mouvement linéaire ont été développées à partir des premières formes de vannes à glissière utilisées pour contrôler le débit de l’eau dans les canaux d’irrigation. Depuis lors, un grand nombre de conceptions et de types différents ont été développés pour une utilisation dans presque tous les types d’applications d’écoulement. Bien que les vannes à mouvement linéaire se caractérisent par un mouvement rectiligne de l’obturateur, l’écoulement du fluide peut être perpendiculaire à ce mouvement (comme dans le cas des vannes à vanne), ou dans la même direction, comme pour les vannes à boisseau. La caractéristique principale de la vanne à mouvement linéaire est qu’une fermeture étanche peut être obtenue en serrant l’obturateur sur une tige filetée.

Vannes à vanne

Les vannes à vanne sont probablement les vannes les plus couramment utilisées aujourd’hui en raison de leur utilisation répandue dans les systèmes domestiques d’eau, mais il convient de noter que leur popularité dans l’industrie a diminué ces dernières années. Cependant, elles sont toujours utilisées là où un écoulement ininterrompu est requis, car la vanne se rétracte entièrement dans le capot, créant une perte de charge minimale, lorsque la vanne est en position ouverte. Les vannes à vanne sont spécifiquement destinées à être utilisées dans les applications d’isolation. Une vanne à vanne se compose de quatre composants principaux : le corps, le capot (ou couvercle), le volet et la tige. Une vanne à vanne typique est illustrée à la Figure 12.1.1.

Le volet, qui coulisse entre les sièges, est soulevé dans une direction perpendiculaire à l’écoulement jusqu’à dégager le passage. Le fait que le volet se rétracte entièrement dans le capot garantit que la perte de charge à travers la vanne est faible.

Les vannes à vanne sont divisées en plusieurs classes différentes, selon la conception du volet et ses faces de siège.

Vanne à vanne à coin plein

Le volet est en forme de coin et il se positionne sur des faces correspondantes dans le corps de la vanne. L’avantage mécanique du filet d’activation, ainsi que l’angle du coin, permettent d’appliquer des forces de siège adéquates contre la pression du fluide sans effort excessif du volant. Le siège peut parfois être revêtu de PTFE pour faciliter une fermeture haute intégrité. Une vanne à vanne à coin plein typique est illustrée à la Figure 12.1.1.

Vanne à vanne à coin flexible

Bien qu’il existe plusieurs types de vannes à vanne à coin flexible, elles utilisent toutes un disque flexible en deux parties, qui ressemble à deux roues sur un essieu très court. La flexibilité du disque garantit un siège étanche sur une large plage de températures et de pressions. Le type de vanne à vanne à coin flexible le plus couramment utilisé dans les applications vapeur est la vanne à glissière parallèle. Les deux plaques qui constituent le volet sont maintenues contre le siège par un ressort, enfermé entre elles. La pression du fluide déplace le disque amont de son siège, et la force est transférée sur le disque aval, assurant ainsi une fermeture étanche. Le haut degré de flexibilité du volet permet la dilatation et la contraction lorsqu’il est soumis à des variations de température, ce qui le rend adapté à une utilisation dans les systèmes vapeur.

Vannes à boisseau

Les vannes à boisseau constituent une classe majeure de vannes à mouvement linéaire ; elles sont devenues plus populaires que les vannes à vanne car il existe une grande variété de configurations disponibles pour la plupart des applications. Le mouvement du fluide à travers le siège de la vanne est longitudinal au mouvement de fonctionnement de l’obturateur ; cela signifie que pour une vanne dont l’entrée et la sortie sont horizontalement opposées, le fluide doit suivre un parcours changeant. Le principal avantage de cette disposition est qu’une vanne à boisseau s’ouvre plus rapidement qu’une vanne à vanne, car le disque n’a besoin de se déplacer que d’une petite distance de son siège pour permettre un écoulement complet. C’est un avantage lorsque la vanne est fréquemment actionnée. L’inconvénient est que le fluide doit changer de direction, augmentant la résistance à l’écoulement et générant des turbulences. Cela entraîne une perte de charge plus élevée à travers une vanne à boisseau qu’à travers une vanne à vanne.

Les vannes à boisseau sont moins susceptibles de fuir que les vannes à vanne, ce qui signifie qu’elles peuvent être utilisées pour des applications à pression plus élevée ou à débit plus important, par exemple dans les systèmes vapeur, ou là où la perte de fluide peut être dangereuse ou coûteuse. Le coût supplémentaire des vannes à boisseau par rapport aux vannes à vanne est donc compensé par la sécurité supplémentaire qu’elles procèrent, et une chance réduite de perte de fluide.

La pression du fluide agissant sur la surface du disque génère une charge axiale sur la tige. Cela rend la fermeture de la vanne difficile, au point de limiter la taille d’une vanne à boisseau standard à DN250. Sur les systèmes fermés à haute pression différentielle, des obturateurs compensés peuvent être utilisés pour surmonter cet effet, permettant l’utilisation de vannes d’un diamètre nominal allant jusqu’à 500 mm (Figure 12.1.3(a)). L’obturateur compensé contient un obturateur de pré-soulèvement qui agit comme une vanne pilote. Lorsque la vanne est ouverte, l’obturateur de pré-soulèvement s’ouvre en premier, permettant au milieu de le traverser à un débit contrôlé (Figure 12.1.3(b)). Cela réduit la pression différentielle à travers la vanne, permettant au disque d’être facilement soulevé de son siège (Figure 12.1.3(c)). Pour faciliter la fermeture de la vanne, les vannes d’isolation équipées d’un obturateur compensé doivent être montées en sens inverse afin que le haut de l’obturateur soit soumis à la pression amont.

Vannes à piston

L’un des principaux inconvénients des vannes à mouvement linéaire est le fait que leurs sièges sont sujets aux dommages causés par les saletés et l’érosion par détente, et donc, selon l’application, peuvent nécessiter une maintenance régulière. Bien que ces sièges soient théoriquement remplacela, cela implique généralement un temps et un coût considérables, et il est souvent plus avantageux de remplacer la vanne entière. Pour surmonter ce problème, les vannes à piston ont été développées. La vanne à piston est une variante de la vanne à boisseau conventionnelle, avec le siège et le cône traditionnels remplacés par un piston et un manchon à lanterne. Le piston est connecté à la tige de la vanne et au volant, et passe à travers deux bagues d’étanchéité séparées par un manchon à lanterne. Lors de l’assemblage, les deux jeux de bagues d’étanchéité sont comprimés autour du piston par la charge exercée le long de la tige. Le jeu de bagues supérieur agit comme un presse-étoupes conventionnel, et le jeu inférieur agit comme le siège. De plus, la grande surface d’étanchéité entre le piston et les bagues assure un haut niveau de serrage de la fermeture. La vanne à piston n’est pas conçue pour les services d’étranglement et doit être utilisée en positions entièrement ouverte ou fermée. Lorsque la vanne est entièrement ouverte, seule la face inférieure du piston est exposée au fluide, le reste du corps étant protégé par les bagues d’étanchéité supérieures. Cela signifie que les surfaces d’étanchéité (les côtés du piston) sont protégées de l’érosion par le débit du fluide.

Si la vanne nécessite une maintenance, tous les éléments internes peuvent être facilement retirés en desserrant les écrous du capot et en retirant le piston. Les bagues et le manchon à lanterne peuvent ensuite être retirés à l’aide d’un outil extracteur. Cette opération est simple et peut être effectuée sans avoir à retirer la vanne de la tuyauterie. En général, le piston ne devrait jamais avoir à être remplacé, mais les bagues d’étanchéité peuvent s’user sur une longue période avec une utilisation fréquente.

Vannes à membrane

Les vannes à membrane constituent le troisième type majeur de vannes à mouvement linéaire. La tige de la vanne est utilisée pour pousser vers le bas une membrane flexible, qui à son tour bloque le passage du fluide. Il existe deux classifications différentes de vannes à membrane basées sur la géométrie du corps de la vanne :

• Type à seuil - Un seuil est moulé dans le corps, et lorsqu’elle est fermée, la membrane repose sur le seuil, restreignant l’écoulement (voir Figure 12.1.5 (a)).
• Type droit à travers - L’alésage traverse latéralement le corps et une membrane en forme de coin est utilisée pour assurer la fermeture (voir Figure 12.1.5 (b)).

Le principal avantage d’une vanne à membrane est le fait que la membrane isole les pièces mobiles de la vanne du fluide de processus. Elles sont donc adaptées au traitement de fluides agressifs et de ceux contenant des solides en suspension. De plus, comme l’ensemble du capot n’est pas exposé au fluide, il peut être fabriqué dans des matériaux peu coûteux tels que la fonte, réduisant ainsi le coût global. Le développement de nouveaux matériaux de membrane permet l’utilisation de membranes sur la plupart des fluides. Leur application est cependant limitée par la température que la membrane peut supporter - typiquement moins de 175 °C. Les vannes à membrane sont généralement utilisées dans les applications de fluides de processus.

Options de tige pour vannes à mouvement linéaire

Les vannes à mouvement linéaire sont disponibles avec un certain nombre de dispositions de tiges différentes :

• Tiges montantes / non montantes - Si la tige est montante, elle se déplacera verticalement vers le haut lorsque la vanne est ouverte, contrairement à une simple rotation, comme pour une tige non montante. La tige montante indique le degré d’ouverture de la vanne, qui reflète approximativement le débit à travers la vanne. Les vannes à tiges montantes nécessitent cependant plus d’espace au-dessus du capot pour accueillir la tige en position entièrement ouverte. L’utilisation de tiges non montantes est recommandée sur les vannes à presse-étoupes, car elles réduisent l’usure du garnissage.

• Vis internes/externes de tige - Sur une tige à vis externe, les filets d’actionnement sur la tige sont situés à l’extérieur du corps de la vanne et ne sont pas exposés au fluide de processus. Comme les filets de vis sont particulièrement sensibles à la corrosion, les vis externes doivent toujours être utilisées avec des fluides ayant des propriétés corrosives ou érosives. Elles sont également bénéfiques lorsque la vanne est fréquemment exposée à de grandes variations de température, car la dilatation et la contraction de la tige peuvent provoquer le grippage des filets à l’intérieur du corps.

Étanchéité de tige

Afin d’empêcher la fuite du fluide de processus autour de la tige d’une vanne, une barrière doit être placée entre le fluide et l’environnement. L’étanchéité de la tige est généralement réalisée par l’une des deux méthodes, à savoir le presse-étoupes et l’étanchéité par soufflet. Le presse-étoupes consiste en un matériau polymère, typiquement du PTFE, serré étroitement entre la tige et le capot de la vanne, empêchant ainsi toute fuite du fluide de processus.

Dans les vannes à étanchéité par soufflet, un soufflet métallique flexible est utilisé. Il est connecté à une extrémité à la tige et l’autre extrémité est connectée au capot, produisant efficacement une barrière entre le fluide et l’environnement. Ce soufflet s’étend et se contracte au fur et à mesure que la tige se déplace vers le haut et vers le bas. Le soufflet est si efficace qu’il produit une étanchéité à « zéro émission ». Un dispositif anti-torsion est monté sur le soufflet, qui empêche le soufflet de tourner avec la tige. Un tel dispositif est essentiel, sinon la torsion répétée du soufflet entraînerait la défaillance de l’étanchéité.

Bien que moins coûteuses que les vannes à étanchéité par soufflet, les vannes à presse-étoupes ne produisent pas une étanchéité aussi serrée que le soufflet. Si une vanne à presse-étoupes n’est pas utilisée pendant une période significative, le garnissage peut se rigidifier, et des fuites se produiront lors de la prochaine utilisation de la vanne. La vanne à étanchéité par soufflet ne souffre pas de ce problème. De plus, les vannes à presse-étoupes nécessitent un regarnissage régulier du presse-étoupes, tandis qu’un soufflet typique ne nécessite aucune maintenance pendant plus de 10 000 cycles.