Sélectionner une vanne pour un système d'instrumentation peut sembler difficile au vu du choix qui s'offre à vous. Pour n?en citer que quelques-unes, vous avez les vannes à boisseau sphérique, les vannes à membrane, les vannes à soufflet, ainsi que les clapets anti-retour, les clapets de sur-débit, les vannes de réglage fin, les robinets-vannes, les vannes à orifices multiples, à pointeau, à boisseau cylindrique, les soupapes, les vannes d'arrêt à obturateur ascendant et les vannes de sûreté. De plus, pour chacune de ces vannes, il existe une grande diversité de dimensions, de configurations, de matériaux de fabrication et de modes d'actionnement.
Le présent article passe en revue les principaux types de vannes, leur fonctionnement, les fonctions que ces vannes remplissent et les critères déterminant le choix d’un type de vanne par rapport à un autre. Si vous êtes toujours perplexe lors du choix d’un type de vanne, ou si vous avez simplement besoin de faire le point, alors poursuivez votre lecture.
Vannes tout ou rien
Le contrôle de type « tout ou rien » est la fonction la plus simple qu’une vanne puisse remplir.
Les vannes de cette catégorie permettent de laisser passer ou d’arrêter le flux de fluide dans un système. Les principales vannes tout ou rien sont les vannes à boisseau sphérique, les robinets-vannes, les vannes à membrane et les vannes à soufflet. Sans doute les plus répandues parmi les vannes de ce type, les vannes à boisseau...
Les vannes à boisseau sphérique (voir figure 1) sont conçues pour un contrôle “tout ou rien” de l’écoulement.
Un actionnement de la poignée d'un quart de tour permet de laisser passer ou d’arrêter le flux, par le positionnement d’une bille métallique dans un passage traversant droit.
La bille possède un large orifice en son centre.
L’écoulement est possible lorsque l’orifice est aligné avec le passage d’écoulement.
Il s’arrête lorsque l’orifice forme un angle droit avec le passage d’écoulement.
Si vous êtes à la recherche d'une vanne “tout ou rien” à fermeture rapide et capable de laisser passer un débit important, alors une vanne à boisseau sphérique est un bon choix.
La position de la poignée fournit une indication rapide de l'état ouvert ou fermé de la vanne.
De plus, par mesure de sécurité, les vannes à boisseau sphérique sont faciles à verrouiller et à étiqueter.
Elles constituent un excellent choix pratique et économique pour des dimensions comprises entre 6 et 50 mm (1/4 et 2 pouces).
Habituellement utilisés pour le contrôle de process plutôt que dans les applications d'instrumentation, les robinets-vannes sont un choix courant pour un contrôle de type “tout ou rien”, particulièrement sur des conduites d'un diamètre supérieur à 50 mm (2 pouces).
Ils sont aussi fréquemment utilisés comme première vanne entre la ligne de process et l’instrumentation, souvent dans une configuration double arrêt et purge.
Les robinets-vannes figurent parmi les plus anciens types de vannes “tout ou rien” ; ils sont habituellement utilisés dans des applications industrielles générales impliquant des lignes de process ou des canalisations de transport de diamètres importants.
Ces dimensions peuvent dépasser 2,54 m (100 pouces).
Les rotations de la poignée permettent de relever ou d’abaisser un mécanisme d’étanchéité dans un passage d’écoulement droit.
La fermeture est progressive.
Une garniture entoure la tige, empêchant ainsi le fluide du système de s'échapper dans l'atmosphère lorsque la tige arrive au niveau du corps de la vanne.
Les vannes dont l’étanchéité est assurée par un joint métal sur métal sont appelées « vannes sans garniture », car elles ne contiennent pas le matériau souple – joints divers dont, par exemple, les joints toriques – que l'on trouve normalement autour de la tige des autres vannes.
La tige de la vanne est la partie cylindrique qui relie la poignée (ou le dispositif d’actionnement) au mécanisme interne de fermeture, de contrôle du débit ou de contrôle directionnel.
Généralement, la tige tourne sur elle-même et/ou se déplace vers le haut et vers le bas.
Tous les joints de tige ainsi que les garnitures sont sujets à l'usure, laquelle peut entraîner des fuites.
Les vannes avec garniture doivent être entretenues ou remplacées à intervalles réguliers, bien que certains types de garniture assurent une étanchéité plus efficace et plus durable, comme la garniture à deux pièces en chevrons.
À l'inverse des vannes avec garniture, les vannes à membrane (voir figure 2) ne possèdent pas de garniture, ont une fermeture rapide et offrent des vitesses d’actionnement précises.
Dans certains cas, elles peuvent également débiter des quantités constantes de fluide du process.
Les vannes à membrane sont généralement utilisées dans les applications haute pureté de l’industrie biopharmaceutique et de l’industrie des semi-conducteurs.
De toutes les vannes, les vannes à membrane sont celles dont la durée de vie est la plus importante, du fait de leur structure hautement sophistiquée.
Chaque vanne contient une fine membrane en métal ou en plastique, qui s'incurve vers le haut ou vers le bas, créant ainsi un joint étanche au niveau de l’entrée de la vanne.
Cette vanne robuste est habituellement de petite taille, le plus large orifice – ou passage interne – faisant généralement moins de 50 mm (2 pouces).
Les vannes à soufflet ne possèdent pas de garniture, ce qui fait d’elles un bon choix lorsque l’étanchéité par rapport à l’atmosphère est essentielle ou lorsque l'accès pour les opérations de maintenance est limité. Elles sont fréquemment utilisées dans la partie confinée des centrales nucléaires. Un joint soudé sépare la moitié inférieure de la vanne, où se situe le fluide, des parties supérieures, où la vanne est actionnée. La tige, qui est entièrement enveloppée par un soufflet métallique, se déplace vers le haut et vers le bas (sans tourner sur elle-même), créant un joint au niveau de l’entrée de la vanne.
On dit des vannes à soufflet et des vannes à membrane qu’elles ont un passage d’écoulement de type vanne à soupape. Dans les vannes à soupape, le fluide ne s’écoule pas le long d'une ligne horizontale comme il le fait dans une vanne à boisseau sphérique. L'entrée du passage d’écoulement se situe en dessous du siège tandis que la sortie est située au-dessus. Le débit d’une vanne à soupape est inférieur à celui d’une vanne à passage d’écoulement traversant droit de même diamètre.
Vannes de contrôle du débit
Les vannes de contrôle du débit permettent à l’opérateur d’augmenter ou de diminuer le débit en tournant la poignée. L'opérateur peut régler la vanne pour le débit souhaité et celle-ci maintiendra constamment ce débit. Certaines vannes de contrôle du débit assurent également une fermeture fiable, mais le passage d'une position complètement ouverte à une position complètement fermée nécessite de nombreuses rotations de la poignée.
Les vannes de contrôle du débit les plus courantes sont les vannes à pointeau, les vannes de réglage fin, les vannes à boisseau cylindrique quart de tour et les vannes d'arrêt à obturateur ascendant.
Les vannes à pointeau offrent un excellent contrôle de l’écoulement. Le filetage fin de la tige permet un contrôle précis du débit. La garniture de la tige assure l’étanchéité par rapport à l’atmosphère. Certains modèles sont dotés d'un joint de siège de type métal sur métal ; par conséquent, les vannes à pointeau conviennent parfaitement pour les applications à des températures élevées. Comme cela a été mentionné précédemment, le débit est limité par le passage d’écoulement de type vanne à soupape. Les vannes à pointeau sont un bon choix pour des fluides relativement peu denses et peu visqueux.
Un contrôle plus précis du débit requiert l’utilisation de vannes de réglage fin, que l'on trouve généralement dans les laboratoires. Les vannes de réglage fin sont des vannes à pointeau dont la tige, longue et fine, se déplace à l'intérieur d'un passage long et étroit. Cette structure induit une configuration de type vanne à soupape, idéale pour appliquer de légères variations au débit. Certaines vannes de réglage fin ne sont pas conçues pour l’obturation.
Les vannes à boisseau cylindrique quart de tour sont des vannes à usage général, peu onéreuses. L'actionnement quart de tour fait tourner un obturateur cylindrique dans un passage d’écoulement traversant droit. L'obturateur comporte un orifice pour l’écoulement du fluide. Les vannes à boisseau cylindrique sont couramment utilisées dans des applications d'étranglement à basse pression, en plus de l’obturation.
La vanne d’arrêt à obturateur ascendant est un autre type de vanne à boisseau cylindrique. Comme dans une vanne à pointeau, un obturateur conique descend dans un orifice pour réduire le débit. La différence par rapport à une vanne à pointeau réside dans le passage d’écoulement traversant, qui est ici droit et non de type vanne à soupape. À cause de ce passage droit, la vanne n’est pas aussi efficace pour assurer un réglage fin du débit. L'obturateur ascendant est nettoyable par curage, ce qui constitue un avantage si le fluide du système vient à obstruer la vanne.
Distributeurs
Un troisième type de vanne sert à diriger l’écoulement du fluide. Les clapets anti-retour sont conçus pour qu'un fluide ne s’écoule que dans un sens. Dans la plupart des modèles, la force du fluide en amont appuie sur un clapet comprimé par un ressort, qui, en s'ouvrant, permet au fluide de s’écouler. En cas d’augmentation de la contre-pression aval, le clapet reprend sa position contre le siège, bloquant ainsi l’écoulement. Les clapets anti-retour sont disponibles avec des pressions de tarage fixes ou réglables.
Certaines vannes à boisseau sphérique et vannes à membrane sont conçues avec des orifices multiples. Dans la plupart des vannes à orifices multiples, le fluide entre par un seul orifice et ressort par l'une des nombreuses sorties, en fonction de la position de l’actionneur. Les vannes à orifices multiples ne possèdent pas nécessairement de position d’obturation.
Vannes de protection contre les surpressions
Les vannes de cette catégorie empêchent la ...
pression du système d’augmenter au-delà d'une certaine valeur fixée. Il existe deux types de ces vannes : les soupapes et les vannes avec disques de rupture.
Un exemple de soupape est la soupape proportionnelle (voir Figure 6). Elle contient un évent vers l'atmosphère qui s’ouvre lorsque la pression dans le système dépasse une valeur fixée par l’opérateur. Un clapet comprimé par un ressort permet d’évacuer le fluide nécessaire. L'évent se ferme lorsque la pression redevient inférieure à la valeur fixée.
Une soupape de sécurité est conçue pour s’ouvrir très rapidement et évacuer une grande quantité de fluide du système. En raison de leur fonction essentielle de sécurité, la réglementation impose l'usage de soupapes de sécurité dans certaines applications. Les soupapes de sécurité et les soupapes proportionnelles ne sont pas interchangeables avec des clapets anti-retour, dans la mesure où ces dispositifs ont des fonctions différentes.
Les disques de rupture sont utilisés principalement sur les cylindres d’échantillonnage, afin de protéger ceux-ci contre les surpressions qui peuvent se produire, par exemple, lors d’augmentations de la température pendant leur transport. Comme les soupapes, les disques de rupture évacuent le fluide dans l’atmosphère. Une membrane métallique cède lorsque la pression dépasse une valeur fixée. Cette valeur est préréglée par le fabricant. Une fois déclenché, un disque de rupture doit être remplacé. Les réglementations sur les transports exigent que les cylindres contenant des gaz comprimés soient équipés de limiteurs de pression. Un disque de rupture constitue une option économique pour une telle application.
Tableau : Résumé du guide de sélection
Vannes “tout ou rien”
• Boisseau sphérique – Passage d’écoulement : droit – Indication visuelle de la fermeture : oui – Vitesse de fermeture : rapide – Avec garniture – Utilisation : très large, pratique et économique.
• Robinet-vanne – Passage d’écoulement : droit – Indication visuelle : non – Fermeture progressive – Avec garniture – Utilisation : usage industriel général, lignes de process ou canalisations de grand diamètre.
• Membrane – Passage : type vanne à soupape – Indication : oui – Fermeture rapide – Sans garniture – Utilisation : haute pureté, fermeture rapide, vitesses d’actionnement précises, longue durée de vie.
• Soufflet – Passage : type vanne à soupape – Indication : parfois – Fermeture progressive – Sans garniture – Utilisation : étanchéité à l’atmosphère essentielle, accès limité pour la maintenance.
Vannes de contrôle du débit
• Pointeau – Passage : type vanne à soupape – Précision : excellente – Capacité de fermeture : oui – Utilisation : contrôle précis, fermeture étanche, hautes températures, fluides peu denses/visqueux.
• Réglage fin – Passage : type vanne à soupape – Précision : excellente – Capacité de fermeture : parfois – Utilisation : laboratoires, contrôle extrêmement précis du débit.
• Boisseau cylindrique quart de tour – Passage : droit – Précision : satisfaisante – Capacité de fermeture : oui – Utilisation : applications d’étranglement à basse pression.
• Obturateur ascendant – Passage : droit – Précision : satisfaisante – Capacité de fermeture : oui – Utilisation : nettoyage de la vanne lorsque le fluide obstrue le système ou coagule.
Clapets de sur-débit
Les clapets de sur-débit permettent de stopper l’écoulement incontrôlé du fluide en cas de rupture en aval du système. Dans des conditions normales, un ressort maintient un clapet en position ouverte. En cas de sur-débit en aval, le clapet se déclenche, arrêtant presque totalement l’écoulement du fluide. Une fois le problème résolu, le clapet reprend sa position ouverte. Ces clapets sont disponibles avec des valeurs de déclenchement fixes.
Conclusions
Une fois la vanne correctement identifiée par rapport à sa fonction, le processus de sélection est bien engagé. Il reste cependant de nombreux détails à examiner. Si vous n’avez pas eu l'occasion d’aller aussi loin dans ce processus, vous devrez accorder une attention particulière aux points suivants :
• Problèmes liés à l'installation, planification de l’entretien, accès au système ;
• Exigences en matière de sécurité et de réglementation ;
• Paramètres du système tels que la pression, la température, les débits et le fluide acheminé.
Enfin, vous aurez à déterminer :
• La dimension de la vanne et les types d’actionnement ;
• Les matériaux de fabrication (y compris ceux des joints), qui doivent être compatibles avec la composition chimique du fluide du système ainsi qu’avec les températures et les pressions mises en œuvre.
Le représentant du fabricant vous guidera dans ce processus. Les catalogues de produits et les rapports de tests constituent des ressources précieuses qui vous permettront d’affiner votre choix.
