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Vannes et robinets à chaque usage son papillon
Emilie Tran Phong de GROUPE ROUGE VIF 07 janvier 2019 Paru dans N°417 - à la page 59

Même si les vannes papillon ont été conçues au départ pour ne fonctionner qu’en mode « tout ou rien », il n’est pas rare qu’elles soient aussi utilisées pour réguler des débits. Les fabricants ont donc adapté leurs gammes pour prendre en compte cet usage. Ils ont par ailleurs innové sur d’autres points : matériaux résistants à la corrosion et à la chaleur, designs limitant les pertes de charges, systèmes de contrôle-commande plus smart, etc. Tour d’horizon.

Parce qu’elles sont fiables, économiques et couvrent de gros diamètres, les vannes papillon sont, de loin, les robinets les plus utilisés dans l’industrie, que ce soit dans le domaine de l’eau ou dans d’autres secteurs industriels. Leur principe de fonctionnement est simple. Un disque est placé dans la lumière de la canalisation. Il suffit de le faire pivoter d’un quart de tour pour qu’il soit parallèle ou perpendiculaire à la veine du fluide, donc qu’il en ouvre ou ferme le passage. Seule limite à l’emploi de ces vannes : elles ne sont pas compatibles avec des liquides trop chargés. Le papillon créant un obstacle dans le tuyau, les lingettes, filasses et autres déchets pourraient s’y empêtrer.
Les vannes LKB d’Alfa Laval se différencient par la qualité de leurs soudures et l’épaisseur de leurs matériaux (11 mm au lieu de 8 mm), qui permettent d’allonger notablement leur durée de vie.

Alfa Laval, Altifort-PVI (ex-Sapag), Amri (groupe KSB), AVK, Bayard by Talis, Ebro Armaturen, Gemü, Georg Fisher, Metso, Ramus Industrie, Socla (groupe Watts), Tecofi, VAG… Les marques de vannes papillon sont nombreuses et leurs gammes diversifiées. On peut néanmoins classer les modèles en quatre grandes familles.

La manchette en élastomère Amring®, l’obturateur usiné sphérique  et la manchette aux portées sphériques assurent au robinet à papillon 
centré sans entretien ISORIA de KSB-Amri une parfaite étanchéité  amont/aval au robinet, même après
de nombreuses manœuvres.

Quatre grandes familles de papillons

Les vannes concentriques, ou centrées, sont les plus simples : le disque tourne autour d’un axe qui le traverse de façon symétrique. Qu’elles se fixent entre brides (raccordement “Wafer”), grâce à une couronne d’oreilles taraudées (“Lug”) ou avec un corps à double bride (“Flanged”), ces robinets sont moins chers que les autres. On les retrouve donc partout. Ou presque : l’étanchéité de leur fermeture est assurée par une manchette souple qui couvre toute la surface interne du corps du robinet. Contraignante à remplacer, cette manchette interdit une utilisation de ces robinets dans des tuyaux enterrés, peu accessibles, de diamètre supérieur à DN 100 et/ou accueillant des pressions supérieures à 20 ou 25 bar.
Bayard (Groupe Talis) a orienté ses développements vers les vannes double excentrique à forte valeur ajoutée technique pour conditions de service sévères.

Dans de telles conditions, mieux vaut utiliser des vannes à papillon excentré. Le disque est décentré par rapport à l’arbre de transmission. Résultat : quand le papillon tourne autour de lui, sa surface de contact avec le siège est réduite, ce qui limite le couple de manœuvre. Le joint est également plus facile à changer puisque, au lieu de recouvrir la paroi interne de la vanne, il est placé sur le disque, qui est lui-même amovible. Une utilisation dans des réseaux enterrés est donc possible.

Depuis quelques années, les modèles à simple excentration sont néanmoins détrônés par d’autres plus évolués : les vannes à double excentration. Un avantage pour les gros diamètres, ce qui explique que ces vannes existent jusqu’au DN 3600. En outre, l’effort à fournir pour les bouger étant moindre, les opérateurs peuvent recourir à des actionneurs plus petits, donc moins chers. « Le surcoût de notre vanne Opap Premium Plus est en partie compensé par les économies réalisées à l’achat de l’actionneur, confirme Vincent Rouet, responsable marketing et communication chez Bayard by Talis. Par ailleurs, nous intégrons sur tous nos modèles un réducteur à biellette qui agit sur la vitesse de fermeture de la vanne et garantit un couple de manœuvre constant. Cela évite les coups de béliers liés à un mouvement trop brusque. Le réseau en aval a moins de risque d’être fragilisé, donc d’induire de la maintenance ». Autre innovation, cette fois sur les vannes Eurostop de Saint-Gobain PAM : leur joint papillon automatique (JPA). Grâce à un phénomène autoclave, leur étanchéité s’accroît au fur et à mesure que la pression augmente. Subissant moins de contraintes mécaniques, le joint conserve ses caractéristiques élastiques plus longtemps et peut être changé moins souvent.

La vanne papillon série 756 d’AVK est un robinet à papillon double excentrique à joint élastomère fixé au disque. Ce type de vanne a été développé pour limiter les effets de pertes de charge que provoquent les papillons des vannes concentriques et pour limiter les couples de manœuvres. Les dimensions vont du DN200 au DN2800.

Pour les conditions extrêmes (hautes températures, haute pression, etc.), une quatrième famille de vannes papillon a été développée : les triple excentriques. Elles sont plutôt destinées à des utilisations industrielles, « y compris pour des applications “difficiles”, dans le secteur du pétrole et du gaz par exemple, jusqu’au full rating 1500# », explique Jean-Luc Drezet, directeur Sales & Services France chez Metso, l’un des rares fabricants à proposer ce type de robinet, avec son modèle Neles® Neldisc. Leur grande résistance s’explique par la présence d’un troisième arbre de transmission, légèrement incliné par rapport à la section du tuyau, qui limite encore le contact des pièces avec le liquide. « Sur nos vannes papillon hautes performances, le couple de manœuvre est plus faible que celui d’un robinet papillon conventionnel, et le profil unique du joint de siège en PTFE assure, quelle que soit la pression, l’étanchéité et compense l’usure éventuelle », indique de son côté Fabien Fayard, directeur commercial chez Tecofi.

Vannes d’arrêt ou de régulation

Alors que les vannes papillon n’ont été conçues au départ que pour assurer une fonction d’arrêt, en mode “tout ou rien”, de nombreuses usines de production d’eau potable les utilisent pour contrôler des débits, en les ouvrant et fermant partiellement. Elles peuvent le faire sur certains process, quand les régimes hydrauliques sont peu contraignants (pression faible et absence de cavitation) et que le réglage du débit n’a pas besoin d’être trop précis. Par exemple, en façade de filtre à sable ou à charbon. 
Les vannes concentriques Tecfly de Tecofi, tout comme leurs cousines en Teflon, ont des manchettes découpées en “queue-d’aronde”. Cela facilite leur remplacement en cas d’usure.

L’eau filtrée est récupérée par une canalisation. Mais plus le filtre s’encrasse, plus le débit se réduit. Comme le traitement n’est efficace qu’à débit lent mais constant, les exploitants peuvent mettre une vanne concentrique dans le tuyau de collecte, puis l’équiper d’un actionneur pneumatique et d’un positionneur numérique. Quand le niveau d’eau augmente dans le bassin de filtration, à cause de l’encrassement du filtre, un capteur de hauteur envoie un signal au positionneur, qui ouvre peu à peu la vanne, suivant une règle préprogrammée. Cela permet de maintenir un débit constant.

Face à la réalité de cet usage en régulation, les fabricants ont dû s’adapter. Ils ont donc conçu des vannes papillon spécifiques : au lieu de fonctionner au quart de tour, celles-ci sont dotées de leviers crantés ou de volants capables de marquer plusieurs positions intermédiaires. Et ils ont développé des actionneurs, positionneurs et régulateurs plus intelligents pour les piloter.

Un contrôle-commande de plus en plus « smart »

Si les actionneurs manuels sont encore très prisés, l’usage d’actionneurs hydrauliques, électriques ou pneumatiques développés par Alfa-Laval, Bürkert, Metso ou Sart Von Rohr progresse. Non seulement ils facilitent la manœuvre, mais on ne peut pas envisager une programmation de l’ouverture ou de la fermeture de vannes sans eux. Cela nécessite en effet de relier leurs servomoteurs à un positionneur qui, lui-même relié à un automate, réagit dès qu’un seuil de pression, de niveau, de débit ou autre est atteint. Pour plus de simplicité et de compacité, certains actionneurs intègrent directement un positionneur. « C’est le cas par exemple de notre actionneur Unique Control, indique Félicien Nguelet, responsable commercial chez Alfa Laval. Deux-en-un, il fait à la fois office d’actionneur et de positionneur, ce qui facilite et réduit le coût de l’installation ».
Les positionneurs numériques intelligents 8792 & 8793 de Bürkert sont dotés de fonctions avancées, de capacités de diagnostics et de nombreuses interfaces de communication.

Les positionneurs analogiques restent très présents sur le marché de l’eau. Si une pollution est repérée en amont du robinet ou si le niveau d’eau dans le bassin desservi est trop bas, un automate envoie au positionneur un signal binaire, en 4-20 mA, pour qu’il ouvre ou ferme complètement le papillon.

Metso propose une gamme de positionneurs numériques qui, en plus de piloter des vannes pneumatiques, renseignent sur leur état et leurs performances.

Ce fonctionnement convient parfaitement aux robinets d’arrêt, conçus pour n’occuper que deux positions. En revanche, il ne convient pas pour de la régulation plus fine. Celle-ci requiert un positionneur numérique, capable de changer peu à peu l’angle du papillon en fonction de ce que mesure un capteur sur le réseau. En principe, ce capteur est branché à un automate équipé d’un régulateur, qui envoie un signal au positionneur pour qu’il pilote la vanne. Mais, là encore, des efforts de simplification ont été réalisés.

« Certains positionneurs, comme notre type 8793, intègrent le régulateur PID dans leur système. Ainsi, il n’y a plus besoin d’automate, le capteur chargé de donner l’alerte est directement branché sur le positionneur. Cela simplifie l’installation, explique Olivier Bertrand, responsable marché des eaux chez Bürkert Fluid Control Systems. Par ailleurs, le système IO-Link que nous proposons en option sur nos positionneurs 8692 & 8693 pour les vannes à siège sera bientôt aussi disponible pour les vannes papillons. En plus du contrôle de la position de la vanne, nos clients pourront aussi accéder à tout moment au positionneur pour avoir un diagnostic de cette vanne (angle du papillon, estimation des efforts de manœuvre, etc.) ».

Avec un boîtier tout en plastique, la vanne papillon à oreilles type 578 de Georg Fischer allie longue durée de vie et faibles couples pour des applications en traitement des eaux,  industries chimiques, dessalement d'eau de mer, traitement de surfaces, etc...

Très présent sur les produits “smart”, Metso propose lui aussi une gamme de positionneurs numériques qui, en plus de piloter des vannes pneumatiques, renseignent sur leur état et leurs performances. Et ce, sans qu’il y ait besoin d’arrêter le process et de démonter le robinet. Le Metso Neles® NDX, notamment, est particulièrement intéressant : « la mémoire de stockage des informations, dans l’appareil, commence à capitaliser des données dès qu’il est mis sous tension. Les opérateurs peuvent ainsi y accéder à tout moment, à distance et en temps réel », explique Jean-Luc Drezet, chez Metso.