Vannes d'isolation - Mouvement rotatif

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 mouvement rotatif (quart de tour), y compris les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon, sont traités dans ce tutoriel.

Les vannes à mouvement rotatif, souvent appelées vannes à quart de tour, comprennent les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon. Quel que soit le type de vanne à mouvement rotatif, l’obturateur tourne autour d’un axe perpendiculaire à la direction de l’écoulement. Le fluide peut s’écouler à travers l’obturateur, comme c’est le cas pour les vannes à boisseau sphérique, ou autour de celui-ci, comme pour les vannes papillon. Les vannes à mouvement rotatif ont tendance à avoir un mécanisme de fonctionnement simple et sont donc faciles à automatiser et à entretenir.

Vannes à boisseau sphérique

Les vannes à boisseau sphérique ont été développées pendant la Seconde Guerre mondiale et étaient initialement destinées à être utilisées dans les systèmes de carburant d’avion, où le poids et l’espace sont primordiaux. Elles se composent d’un corps qui abrite une bille rotative ayant un orifice ou un alésage usiné directement à travers celle-ci. La bille est positionnée dans le corps par deux bagues d’étanchéité. La rotation de la bille de 90° ouvre et ferme la vanne et permet au fluide de s’écouler directement à travers l’orifice. En position fermée, les côtés pleins de la bille bloquent l’entrée et la sortie empêchant tout écoulement. Il existe deux conceptions de base de vannes à boisseau sphérique - la conception à bille flottante, qui repose sur les sièges de la vanne pour supporter la bille, et la bille montée sur pivot, qui utilise un pivot pour supporter la bille. Le montage sur pivot est utilisé sur les vannes de plus grande taille, car il peut réduire le couple de fonctionnement aux deux tiers environ de celui fourni par une bille flottante. Conventionnellement, la poignée attachée à la bille est alignée avec l’axe de la tuyauterie lorsque la vanne est ouverte ; inversement, si elle est à angle droit par rapport à l’axe de la tuyauterie, cela indique que la vanne est fermée.

Les vannes à boisseau sphérique sont disponibles en alésage réduit ou alésage total. Les vannes à alésage total ont un orifice de la même taille que le diamètre de la tuyauterie, tandis que dans les vannes à alésage réduit, le diamètre de l’orifice est inférieur à celui de la tuyauterie. Les vannes à alésage total coûtent plus cher que les vannes à alésage réduit, et elles doivent être utilisées lorsque la perte de charge à travers la vanne est critique ou lorsque des vannes à boisseau sphérique sont utilisées en amont des débitmètres.

Les vannes à alésage total peuvent être utilisées dans les applications de débitmètres pour minimiser la turbulence du fluide en amont du dispositif de mesure. Pour insérer la bille dans le corps, trois types différents d’assemblage existent. Le type affecte non seulement la facilité d’assemblage, mais aussi la maintenabilité de la vanne.

• Vannes à deux et trois pièces - Le corps de la vanne est divisé en un ou deux endroits dans le même plan que la bride de la vanne, et ces pièces sont boulonnées ensemble. Cela a l’avantage d’une maintenance simplifiée en ligne.
• Vannes à entrée par le haut - La bille est insérée à travers un capot sur le dessus de la vanne. Cela facilite la maintenance en ligne.
• Vannes à pièce unique - La bille est enfermée dans le corps par un insert placé le long de l’axe de la vanne. Cela élimine toute possibilité de fuite au joint du corps et tout risque de déconnexion pendant le service, mais lorsque la maintenance est nécessaire, la vanne entière doit être retirée de la tuyauterie.

Le choix du matériau de siège détermine les conditions pour lesquelles une vanne à boisseau sphérique particulière est la plus adaptée. Bien que de nouveaux matériaux de siège soient continuellement développés, le Tableau 12.2.1 liste certains des matériaux les plus couramment utilisés aujourd’hui.

Tableau 12.2.1 Matériaux de siège courants pour vannes à boisseau sphérique

Options de vannes à boisseau sphérique

Les vannes à boisseau sphérique peuvent être produites avec un certain nombre d’options pour répondre aux exigences d’une grande variété d’applications :

• Actionneurs - Les vannes à boisseau sphérique, et en fait toutes les vannes rotatives, conviennent à l’automatisation. Cela est généralement accompli en utilisant un actionneur électrique ou pneumatique. L’actionneur est connecté à la vanne par un kit de liaison. Bien que non essentiel, une platine de montage conforme à la norme ISO permet l’installation du kit de liaison sans démonter la vanne, ce qui maintient l’intégrité de la vanne. Reportez-vous au Module 6.6 pour plus d’informations sur les actionneurs.
• Firesafe - Comme les vannes à boisseau sphérique sont couramment utilisées dans les oléoducs et gazoducs, il est essentiel que les vannes utilisées dans ces applications soient firesafe. Une vanne est considérée comme firesafe si, lorsqu’elle est exposée à des conditions d’incendie, elle continuera à fournir un minimum de fuites à travers le siège et la tige, et à assurer une fermeture efficace pendant ou après un incendie ou une exposition à des températures excessives. Les normes relatives à la sécurité incendie sont énoncées dans les normes BS 6755 et API RP 6FA. La principale préoccupation est que les températures de combustion détruiront les sièges et joints souples ; un certain nombre de méthodes ont été développées pour surmonter cela. Une approche consiste à inclure des surfaces d’étanchéité métalliques secondaires derrière les sièges polymères en tant que partie intégrante du corps. Lorsqu’elles sont exposées à des températures de combustion, le siège commence à se déformer et la pression du fluide de processus déplace la bille de sorte qu’elle extrude le siège polymère (Figure 12.2.3(b)). Lorsque le siège a été complètement détruit, la bille se positionnera contre la surface d’étanchéité métallique du corps, assurant une fermeture étanche (Figure 12.2.3(c)).

En plus de la sécurité inhérente du mécanisme de siège, l’étanchéité de la tige doit également être capable d’empêcher les fuites vers l’atmosphère dans des conditions d’« incendie ». Cela peut être réalisé en utilisant des joints haute température fabriqués en graphite flexible ou en Grafoil® ; alternativement, un dispositif à étanchéité par soufflet peut être utilisé (voir Figure 12.2.4).

• Vannes pour vapeur propre - Un certain nombre d’applications existent qui nécessitent que la vanne soit de conception « propre » ; celles-ci comprennent les applications vapeur où il y a injection directe de vapeur dans le produit et les lignes de fluide de processus dans les industries biotechnologiques, alimentaires et électroniques. Le principal domaine de préoccupation dans ces applications est l’espace entre le corps et la bille ; le fluide de processus peut s’accumuler dans ces espaces entraînant contamination et corrosion. Cela peut être surmonté en insérant des garnisseurs de cavité dans ces espaces. Le garnisseur de cavité peut faire partie intégrante du siège ou être un composant séparé dans l’ensemble de la vanne. De plus, les vannes à boisseau sphérique utilisées dans les applications de vapeur propre doivent être en acier inoxydable avec une bonne finition de surface (moins de 81 microns Ra est recommandé).
• Applications d’étranglement - Lorsque les vannes à boisseau sphérique sont utilisées dans des applications d’étranglement, un écoulement à haute vitesse peut frapper une zone localisée de la bille et des joints, provoquant une détérioration prématurée du matériau de siège. Des modifications de la conception standard sont nécessaires pour que les vannes à boisseau sphérique soient utilisées pour l’étranglement ; celles-ci comprennent l’utilisation de sièges métalliques, de revêtements durs et, parfois, des modifications de la bille, pour donner un profil d’écoulement caractérisé.

Vannes papillon

Bien qu’il existe de nombreuses conceptions différentes de vannes papillon, elles se composent toutes d’un disque qui tourne sur un arbre à angle droit par rapport à l’écoulement du fluide. Lorsqu’elle est ouverte, le disque est de champ par rapport à l’écoulement et le fluide passe autour de celui-ci, offrant une résistance limitée. En position fermée, le disque est tourné contre un siège dans le corps de la vanne. Les vannes papillon ne prennent généralement pas beaucoup plus de place qu’une paire de brides de tuyauterie, et constituent donc une alternative intéressante à la vanne à boisseau sphérique lorsque l’espace est limité. En fait, certaines vannes papillon sont spécialement conçues pour être insérées entre les brides de tuyauterie ; on les appelle vannes papillon à lames.

Le principal inconvénient des vannes papillon est que la fermeture n’est pas aussi étanche que celle obtenue avec d’autres types de vannes. Cela peut être atténué dans une certaine mesure en décalant l’axe de rotation du disque et en utilisant des sièges assistés par la pression. En utilisant un axe de rotation décalé, une action de « came » est générée, ce qui signifie que le disque crée une étanchéité serrée avec le siège pendant les derniers degrés de fermeture. Ces vannes papillon haute performance ou de type excentrique ont des capacités de fermeture améliorées et leur conception permet leur utilisation pour l’étranglement.

Pour les applications vapeur, les vannes papillon ont été largement remplacées par les vannes à boisseau sphérique. Les vannes papillon sont plus couramment utilisées dans les systèmes liquides ou là où l’espace est limité. La compacité des vannes papillon signifie moins de matériaux nécessaires et elles sont donc idéales lorsque l’application spécifie l’utilisation de matériaux coûteux, par exemple dans les applications en eau de mer où le nickel est spécifié.

Sélection et dimensionnement des vannes d’isolation

Un fluide de processus doit être entièrement contenu dans un système de tuyauterie correctement conçu pour éviter de mettre en danger le personnel et l’environnement, et la contamination du fluide lui-même. Le système de tuyauterie peut avoir de nombreux chemins de fuite potentiels, tels que les joints de tuyauterie, les soudures, les raccords d’équipement et, plus important encore, les vannes. Les vannes peuvent être l’un des plus grands contributeurs aux problèmes d’installation si elles sont mal sélectionnées ou mal conçues ou fabriquées. De plus, une vanne, lorsqu’elle est correctement sélectionnée pour l’application, devrait durer au moins la durée de vie de l’installation, si elle est correctement entretenue. Lors de la sélection d’une vanne d’isolation pour une application particulière, un certain nombre de facteurs doivent être pris en compte ; ceux-ci sont présentés dans le Tableau 12.2.2, ainsi que le paramètre de sélection de la vanne affecté.

Tableau 12.2.2 Facteurs affectant la sélection d’une vanne d’isolation

Le Tableau 12.2.3 résume les caractéristiques principales des différents types de vannes d’isolation.

Tableau 12.2.3 Tailles et plages de fonctionnement typiques des vannes d’isolation

1 Note : Valeurs typiques pour une vanne DN150 à alésage passant de la vapeur saturée à 24 bar, s’écoulant à 40 m/s. Le Tableau 12.2.4 résume les applications des types de vannes d’isolation les plus couramment utilisés aujourd’hui.

Tableau 12.2.4 Applications des types de vannes d’isolation

Le Tableau 12.2.5 est un guide généralisé pour la sélection des vannes d’isolation pour des applications particulières de vapeur et de condensate. Il convient de noter que le choix de la vanne d’isolation est subjectif et que différentes industries et celles de différentes régions géographiques ont leurs propres préférences uniques.

Tableau 12.2.5 Sélection de vannes pour l’isolation vapeur/condensate Note : dans ce tableau, « soufflet » désigne une vanne à boisseau à étanchéité par soufflet et « boisseau » désigne une vanne à boisseau standard à presse-étoupes.

Une fois le type de vanne le plus approprié choisi, il est nécessaire de choisir la taille correcte. Les vannes sont généralement dimensionnées selon la taille de la tuyauterie. Il est cependant conseillé de vérifier que la perte de charge à travers la vanne (lorsqu’elle est entièrement ouverte) est dans des limites acceptables. La perte de charge est une fonction du coefficient de débit de la vanne (ou valeur Kvs), du débit et de la pression d’entrée. Les fiches techniques contiennent généralement des données sur la valeur Kvs lorsque la vanne est entièrement ouverte.

Avec la connaissance de la pression de fonctionnement typique et du débit massique, il est possible de déterminer la perte de charge à travers une vanne choisie. Alternativement, si la perte de charge maximale acceptable est connue, il est possible de sélectionner une taille de vanne appropriée. Bien qu’il existe de nombreuses formules et graphiques disponibles pour prédire la relation entre le débit et la perte de charge, la formule empirique simplifiée suivante (Équation 3.21.1) produit des résultats fiables pour la vapeur et est donc couramment utilisée :

Cette forme constitue la base du graphique présenté à la Figure 12.2.7, qui a été introduit pour la première fois dans le Bloc 3, Module 21.

Si la vanne d’isolation doit être utilisée dans un système liquide, la perte de charge à travers la vanne est déterminée à l’aide de l’équation suivante :