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Vannes & robinets. Pourquoi choisir une vanne à membrane ?
Emilie Tran Phong de GROUPE ROUGE VIF 01 octobre 2018 Paru dans N°414 - à la page 75

Industries pharmaceutiques, cosmétiques, agroalimentaires, microélectroniques, du traitement de l’eau… Les vannes à membrane sont partout. Il faut dire qu’elles présentent de nombreux avantages, notamment en termes d’entretien et de productivité.

Bien qu’elles soient plus chères que leurs concurrentes à boisseau ou papillon, les vannes à membrane se démarquent sur de nombreux points. Asepsie, résistance à la corrosion et à la chaleur, facilité d’entretien, précision… Ce dossier passe en revue tous les avantages de ces robinets, ainsi que les innovations apportées à certains modèles pour qu’ils contribuent à une meilleure productivité des installations.

Chaque vanne à membrane est constituée d’un corps, où l’eau circule en passant un seuil,
et d’une membrane, ou diaphragme, qu’un actionneur vient plaquer sur le seuil quand
on ferme le robinet.

Hygiène et pureté des process

Le principe de fonctionnement d’une vanne à membrane est simple. En position ouverte, elle laisse passer le fluide, mais de façon non linéaire : elle lui fait surmonter un siège. En position fermée, un actionneur vient plaquer une membrane contre ce siège, pour obstruer la voie. Si le dispositif est bien conçu, il est auto-vidangeable, c’est-à-dire que la moindre goutte qui se trouve entre les deux pièces s’écoule naturellement. Ainsi, contrairement aux modèles à boisseau, qui reposent sur la rotation d’une bille trouée, ou aux vannes papillon, qui nécessitent des joints d’étanchéité, les vannes à membranes ne peuvent pas emprisonner de liquide malgré elles. Même si elles restent fermées plusieurs heures, aucun nid de microbes ne peut s’y développer. D’où leur succès dans des secteurs sensibles comme les industries pharmaceutiques, cosmétiques ou agroalimentaires, qui nécessitent une stérilité parfaite.

Nettoyer sans contaminer

Cette absence de zone de rétention est aussi un atout en cas de nettoyage en place (NEP). Dans les secteurs cités plus haut, mais aussi dans l’industrie microélectronique, certains chenaux doivent être lavés régulièrement, parfois plusieurs fois par jour, à l’aide de produits chimiques comme de l’acide, de l’eau de Javel ou de la soude. Pour cela, on utilise un tuyau en T, dont les entrées sont gérées par des vannes à membranes : l’une d’elle bloque l’arrivée du liquide process, tandis qu’une autre s’ouvre pour laisser passer le détergent. Le fait qu’aucune aspérité sur les vannes ne puisse retenir involontairement des gouttes de nettoyant susceptibles de contaminer le circuit peut avoir une importance vitale, surtout si le produit fabriqué a vocation à être ingéré ou injecté dans le corps humain.

Sur les vannes DK Dialock de la marque FIP (groupe Aliaxis), une fois qu’on a trouvé le bon réglage de débit, il suffit de soulever la couronne de l’actionneur pour verrouiller cette position. Pour plus de sécurité encore, il est possible d’utiliser un cadenas, une boucle dédiée étant intégrée à la poignée.

Parfois, le nettoyage des canalisations passe par un dispositif de stérilisation en place (SEP). Il faut alors que toutes les pièces puissent supporter le contact avec de la vapeur à 140 °C, et ce pendant 60 minutes. Dans les secteurs pharmaceutiques, où l’on utilise traditionnellement des pièces en acier inoxydable, cela ne pose pas de souci. Des améliorations ont néanmoins été apportées à certains robinets pour réduire les coûts liés à cette opération. « Fin 2016, nous avons lancé un nouveau corps de vanne tubulaire en inox, indique Christophe Eeckhout, responsable produits chez Bürkert. Fabriqué selon une technologie brevetée d’hydroformage, ce Tube Valve Body est jusqu’à 75 % plus léger que les modèles forgés et moulés. Non seulement, cela limite la quantité de matière nécessaire à sa fabrication, mais cela permet aussi des économies puisque, grâce à sa légèreté, il faut moins d’énergie pour le faire monter en température. Comme cette pièce de robinet se chauffe et se refroidit plus vite, la phase de stérilisation dure moins longtemps. Le temps d’arrêt de la production s’en trouve optimisé  ».

Pour accroître la résistance de ses membranes à la corrosion et à l’agressivité des produits chimiques, mais aussi aux contraintes thermiques liées à la stérilisation des circuits, Bürkert a mis au point un nouveau matériau :
la membrane Gylon.

Dans les circuits où passent des produits particulièrement corrosifs, l’inox est remplacé par un plastique capable de résister à l’agressivité des liquides transportés. Or, rares sont les élastomères qui offrent une excellente résistance aux températures élevées, tout en supportant un grand nombre de réactifs. Bürkert a mis au point un tel produit : la membrane Gylon. « Elle est conçue avec un matériau qui tient particulièrement bien à la corrosion et à la chaleur, mais aussi aux variations de températures, ce qui lui permet de couvrir une large gamme d’applications, sans avoir à être remplacée trop souvent », affirme Christophe Eeckhout.

Précision des dosages et régulation

Le nouveau corps de vanne hydroformé commercialisé par Bürkert, le Tube Valve Body, permet de nombreuses économies d’énergie et de mise en œuvre grâce à sa légèreté, sa robustesse et sa qualité.

Pour les applications dans le secteur de l’eau, les vannes à membrane sont proposées par Aliaxis, Asco, Gemü, Burkert,  Georg Fisher, KSB, Seko, Tecofi ou encore VAG pour les vannes à membrane de régulation de débit.. Souvent limitées à des diamètres inférieurs à DN 100, elles restent réservées à certaines applications bien précises. Les quantités et les débits traités dans les installations sont tels que les risques de contamination par une goutte restée emprisonnée dans un robinet sont réduits. C’est pourquoi les modèles à boisseau et papillon y ont encore toute leur place. En revanche, dans les usines de traitement, les vannes à membrane sont appréciées pour leur précision. Exemple avec la nouvelle gamme DK Dialock, lancée en 2016 par la marque FIP, du groupe Aliaxis : « sur les diamètres les plus courants (DN 32 et DN 50), il faut 6 ou 7 tours de volant pour fermer complètement la vanne. En tournant ainsi à 2.160° ou 2.520° (contre 90° pour les vannes à boisseau ou papillon), on a une corrélation précise entre la position de la poignée et le débit qui passe dans le robinet », explique Clément Musard, responsable produits chez Aliaxis. 

La conception compacte de la vanne à membrane 604/605 avec actionneur pneumatique intégré de GF Piping Systems permet une installation dans des espaces limités. Aucun re-serrage n’est nécessaire grâce à la conception en plastique sans pièces métalliques ni vis.

Une qualité importante pour réguler les flux d’eau en amont des traitements par osmose inverse ou par échangeur d’ions, deux étapes qui exigent de travailler sur des plages de débit et de pression très spécifiques. Elle sert également pour doser la juste quantité de réactifs à injecter dans un bassin. Tout cela sans coups de bélier, l’ouverture de ces robinets se faisant de façon progressive et linéaire. « Sur notre gamme DK Dialock, à actionneur manuel, nous avons réalisé un travail important sur l’ergonomie du volant. Surtout, nous y avons intégré un système de verrouillage qui évite, une fois le bon réglage de débit trouvé, de le modifier accidentellement. Nous pouvons bloquer ainsi le volant sur 300 positions différentes ! », vante Clément Musard.

Blocs de vannes multivoies Gemü 687 : production d’eau ultrapure, échangeur d’ions, osmose inverse et ionisation par électrodes.

Facilité d’entretien et d’installation

Contrairement aux autres vannes, celles à membrane ne présentent qu’une seule pièce d’usure : la membrane, qui est assez facile à changer sans avoir à démonter le dispositif. Mais, lorsqu’elles sont peu accessibles, à plusieurs mètres du sol par exemple, les clients apprécient d’avoir à intervenir dessus le moins souvent possible. C’est pourquoi les fabricants cherchent sans relâche à allonger la durée de vie des membranes, en améliorant leur résistance à la température et à la corrosion, mais aussi en limitant les risques de déformation. C’est l’un des enjeux auxquels souhaitait répondre Aliaxis en lançant en 2015 sa nouvelle gamme de vannes à membrane DK/CP à actionneur pneumatique : « six ressorts disposés en barillets permettent de mieux répartir l’effort mécanique au moment où l’actionneur vient plaquer la membrane contre le seuil », explique Clément Musard. Résultat : ces vannes ont une espérance de vie supérieure à 5 millions de cycles.

Sur les vannes à actionneur manuel, c’est en limitant le serrage des vis autour de la membrane, donc les pressions pouvant s’exercer dessus lors de la fermeture, qu’on peut augmenter sa durée de vie. C’est pourquoi Gemü propose depuis avril un limiteur de serrage et de desserage sur ses vannes à membranes manuelles.

La pression de service des vannes SISTO-C de la filiale de KSB est de 16 bar en standard et peut monter jusqu’à 25 bar sur demande. Cela permet d’optimiser les rendements des process et/ou de réduire les coûts comme pour les boucles d’eau (réduction du diamètre de la tuyauterie et des accessoires). Il est aussi important de disposer d’une réserve de pression pour les tests hydrauliques qui se font généralement à 1,5 fois la pression de service lors de la réception des installations.

Des efforts ont aussi été réalisés par les fabricants pour faciliter l’installation des vannes à membrane. Cela passe notamment par une conception compacte et “tout en un”, comme le propose la vanne en inox et à commande pneumatique Gemü 651. Alors qu’il faut souvent trois pièces pour obtenir une vanne en état de marche (un corps de vanne, une membrane et un actionneur), plus quelques accessoires en cas de motorisation, ce modèle est prêt à l’emploi. Il intègre tous les éléments, y compris un système d’automatisation avec boîtier de commande et un dispositif de communication avec le bus de terrain. Cela permet de faire l’économie de l’assemblage et de la pose de raccordements, mais aussi d’éviter les risques d’erreur liées à ces manipulation

Chez Georg Fischer Piping Systems, la vanne à membrane 604/605, avec actionneur pneumatique intégré, a un design compact qui permet une installation dans des espaces limités. Mais cela ne l’empêche pas d’être performant : grâce à une optimisation de sa géométrie, le fabricant a réussi à doubler les débits de liquides pouvant transiter par ce robinet. Et, parce que ce dernier est conçu en plastique, sans pièce métallique ni vis, aucun resserrage n’est nécessaire.

Les membranes de Gemü, de qualité irréprochable, sont fabriquées en interne et testées une par une par le service qualité de l’entreprise.

De son côté, Alfa Laval a développé une autre option : l’actionneur pneumatique universel. Plutôt que d’en poser un sur chaque vanne, il suffit d’en avoir un, capable de s’adapter à toute la gamme de vannes à membrane standard Alfa Laval Unique DV-ST UltraPure, qu’elles soient moulées, forgées ou usinées dans un bloc, et quelles que soient leurs tailles.Ce nouvel actionneur contribue à simplifier la gestion des stocks et permet de bénéficier d’un processus de spécification plus rapide, plus facile et plus sûr. 

Alfa Laval a développé un nouvel actionneur capable de s’adapter à toute sa gamme de vannes à membrane standard. Il simplifie la gestion des stocks et permet de bénéficier d’un processus de spécification plus rapide et plus sûr. 

Quels que soient le process ou l’application, le même actionneur peut être utilisé comme pièce de rechange pour toutes les vannes à membrane Alfa Laval Unique DV-ST UltraPure.

Il résiste aux températures élevées fréquemment rencontrées en process de stérilisation. Il peut supporter une pression de service atteignant 10 bar (6 bar avec une membrane PTFE/EPDM) et est capable, contrairement à d’autres autres actionneurs sur le marché, de fermer une vanne à la même pression de service sans chute de pression.