Les vannes à papillon à siège élastique

Il en est de même pour les réseaux de transport et de distribution d'eau potable, les écluses, les circuits d'eau de refroidissement des condenseurs dans les centrales thermiques, classiques ou nucléaires : les vannes doivent présenter le maximum de fiabilité et conserver leurs qualités pendant une durée de vie la plus longue possible.

On demandera à la vanne d’isoler un circuit avec une étanchéité parfaite, qui se maintienne même après un nombre considérable de manœuvres. On souhaitera également qu'en position ouverte, elle autorise le libre passage du fluide sans occasionner par sa présence des pertes de charge qui sont un gaspillage d’énergie.

CHAMP D’APPLICATIONS.

La vanne à siège élastique satisfait à ces exigences dans un très large champ d'applications, défini et limité uniquement par les propriétés du siège élastique lui-même. On peut situer ces limites entre les températures de – 30 °C à 150 °C, les pressions depuis le vide jusqu'à 25 bars et les dimensions de 30 mm jusqu'à 4 mètres de diamètre et même davantage. Le choix des matériaux constitutifs du papillon, du corps, du siège et de l'arbre permet d'adapter la vanne papillon à la plupart des fluides, qu'ils soient corrosifs ou même chargés de matières solides en suspension.

HISTORIQUE.

Au point de vue historique, la vanne papillon est parmi les mécanismes les plus anciens utilisés pour le contrôle de l’écoulement des fluides. Toutefois, pendant de nombreuses années, ce type de vanne n'était utilisé que pour des applications de peu d'importance. L’objection principale était alors l'étanchéité imparfaite. De plus, de nombreux ingénieurs hésitaient à spécifier des vannes papillon même pour des applications ne requérant pas une étanchéité absolue, du fait qu'il n'existait qu'une documentation très réduite au sujet des pertes de charge et de l’effort requis pour la manœuvre de ces vannes. Le premier développement important dans l'histoire de la vanne papillon fut la création d'un siège en caoutchouc pratique et efficace, ce qui élimina les fuites. La première vanne papillon à siège en caoutchouc fut créée vers 1931. Les avantages de la vanne papillon ont été reconnus petit à petit, et au cours des trente dernières années les applications pour lesquelles elle a été adoptée ne cessent d’augmenter.

PRINCIPE DE LA VANNE PAPILLON.

Le principe de la vanne papillon est d'une extrême simplicité : dans le corps de vanne qui constitue un élément de conduite, un obturateur, le papillon, est monté sur un arbre diamétral qui lui permet de pivoter. Le bord du papillon, dans la position de fermeture, pénètre dans le siège par déformation élastique de celui-ci.

La fiabilité requise sera obtenue d'autant mieux que la conception de la vanne sera simple. À ce point de vue, le clapet papillon — manœuvrable en une rotation d'un quart de tour, que ce soit à la main ou par des dispositifs de commande mécaniques, électriques, hydrauliques ou pneumatiques — est, de tous les systèmes, celui présentant la plus grande simplicité.

En outre, il peut répondre à une exigence souvent fondamentale : l'étanchéité à la fermeture. Celle-ci est réalisable en utilisant les propriétés élastiques d'une matière, telle le caoutchouc, interposée entre le corps de vanne et l'organe de fermeture ou papillon.

Des deux concepts, joint élastique solidaire du papillon ou solidaire du corps de vanne, le second paraît nettement préférable, car :

• a) il n’expose pas le joint à l'érosion comme c'est le cas, à vanne ouverte, pour le premier,
• b) il facilite le décolmatage des dépôts sur le corps.

CARACTÉRISTIQUES DES VANNES.

1. Vannes à siège moulé (figure 1).

Ces vannes sont équipées de sièges en caoutchouc moulés. L’étanchéité autour du papillon est obtenue par la pénétration du bord de celui-ci dans le siège et par la pression du matériau élastique sur les deux portées planes du papillon.

L'étanchéité au passage de l'arbre est obtenue par serrage du siège autour de l'arbre. Les orifices de passage sont légèrement coniques, ce qui facilite le montage des arbres. Lorsque le papillon est en place, la compression qu'il exerce sur les parties planes contribue à une augmentation du serrage initial et ainsi à l'étanchéité vers l'extérieur.

Par mesure de sécurité supplémentaire, une garniture est prévue à l’extérieur.

2. Vanne à double bride type 1B (figure 2).

À fermeture totalement étanche pour le contrôle des débits de fluides liquides ou gazeux à des températures entre —10 °C et +150 °C et à des pressions allant jusqu'à 16 bars.

La structure de la vanne (axe en une seule pièce traversant le corps et le papillon) lui confère une rigidité exceptionnelle particulièrement appréciée dans des conditions de service sévères (vitesse et/ou pression élevées).

Dans cette construction, l'étanchéité est assurée de la manière suivante :

Le long du siège, l'étanchéité entre l'amont et l'aval est obtenue par la pénétration de l'arête du papillon dans le siège. Pour que cette pénétration soit uniforme malgré les irrégularités de diamètre.

qui peuvent se produire, surtout dans les grandes vannes, des segments de réglage sont prévus.

Le schéma montre les éléments de réglage (fig. 3) :

• — le siège élastique (1)
• — le segment d’appui (2)
• — le segment de serrage (3)

Par serrage progressif des écrous, ces éléments se déplacent dans le sens indiqué par les flèches et les erreurs de circularité sont annulées.

En poursuivant le serrage, on assure une pénétration de l'arête du papillon en position de fermeture, ce qui donne l'étanchéité même pour de fortes différences de pression entre l’amont et l'aval.

Aux passages de l’arbre, le bout du siège est découpé selon un cylindre, pour épouser la forme d'une bague revêtue de caoutchouc. Celle-ci est mise à serrage dans le corps de vanne et est pressée contre les faces planes aux extrémités du papillon.

L’arbre est monté dans un palier constitué par des buses en bronze autolubrifiant ou en alliage spécial anti-friction. En plus, un presse-bourrage est prévu à l'extérieur. L'arbre et le papillon sont rendus solidaires par des broches que l’on distingue sur la coupe de la vanne (fig. 4).

Pour que l’étanchéité soit parfaite, il faut que le papillon soit correctement centré par rapport au corps de vanne, en particulier dans le sens longitudinal.

La coupe du palier côté opposé à la commande montre la bague d’étanchéité, les coussinets ou buses et le dispositif de centrage longitudinal.

Une dernière condition doit être satisfaite pour une étanchéité totale en position fermée : il faut que le dispositif de commande en position de fermeture corresponde à la position du papillon. Pour réaliser cette condition, les mécanismes de commande sont équipés de butées réglables.

La vanne type 1B est construite à partir du Ø 500 mm jusqu’à 4 mètres et plus.

3. Vanne à double bride (figure 5).

Cette vanne représente un réel progrès par rapport aux autres vannes avec siège en caoutchouc logé dans le corps.

Mise au point sur ordinateur en vue d’obtenir la stabilité structurelle et fonctionnelle optimale de tous ses composants et en particulier le corps, le papillon et l’arbre.

Utilisée aux U.S.A. depuis 1967 dans des installations de traitement des eaux, aussi bien publiques que privées, cette vanne répond parfaitement aux spécifications les plus sévères et assure un service pratiquement sans problème.

Le siège en caoutchouc est logé dans le corps de la vanne et maintenu par un segment en résine injecté sous pression (fig. 6).

La pression d’injection est réglée de façon à ajuster l’écrasement du siège en fonction de la pression de service de la vanne et du degré d’étanchéité requis.

Cette fixation mécanique brevetée est réalisée papillon fermé. Elle assure :

• — un écrasement uniforme du siège en caoutchouc,

— une correspondance parfaite entre le siège et le papillon.

Le montage du siège est solide et pratiquement indéréglable. Il exclut l'usage de vis, cales et autres accessoires, évitant ainsi les risques de dommages provoqués par des pièces perdues dans les conduites et pouvant atteindre des appareils tels que pompes et autres.

Le réglage des sièges peut être effectué sur place et si les conditions le permettent, le siège peut être remplacé sans que l'on ait à démonter les vannes de la tuyauterie.

Par sa conception, qui assure une surface d'assise plus uniforme et plus rigide, ce siège a une durée de vie supérieure à celle d'autres types de sièges. De forme annulaire continue, monté en dehors du passage de l'arbre de la vanne, il ne requiert pas l'utilisation de bagues d'étanchéité et élimine par conséquent tout risque de fuite à cet endroit. L'étanchéité reste parfaite si le papillon est fermé à moins de 90°. La tolérance de décentrement est double de celle permise avec une vanne 1B par exemple.

Ajoutons encore que ce siège est à même de supporter l'impact de débris contenus dans les eaux usées, sans être délogé de la rainure qui le maintient dans le corps de la vanne.

Le profil du papillon permet un meilleur écoulement du fluide et produit une perte de charge inférieure à celle créée par les papillons conventionnels.

Le papillon est structuré de manière à obtenir la parfaite homogénéité du matériau utilisé. Il est dessiné pour permettre le contrôle visuel de la totalité de sa surface et la vérification de toutes les épaisseurs. Il ne comporte aucune cavité interne pouvant recueillir de l'eau qui, en gelant, endommagerait le matériau.

L'arbre est constitué de deux bouts articulés dans le corps de la vanne et brochés au papillon. La disposition et la répartition des contraintes entre l'arbre et le papillon sont connues.

Les coussinets, montés en nos usines, ne requièrent aucun entretien. Les broches d'assemblage arbre-papillon assurent une parfaite liaison entre les deux éléments.

Limites de construction :

• — pression : jusqu'à 16 bars.
• — température maximale : 90 °C.
• — dimensions : de 700 à 4000 mm.

REMARQUES

Ces vannes à papillon sont construites suivant les normes américaines ou européennes ; elles peuvent également être fabriquées suivant les normes AWWA et ASA, dans les diamètres de 10 à 72" et plus, de même que des clapets de différents modèles adaptés pour des températures et des conditions de service élevées lorsque l'étanchéité absolue est requise.

DOMAINES D’APPLICATION.

Toutes ces vannes peuvent être utilisées pour les applications suivantes : eau douce, saline ou résiduaire, gaz de haut fourneau, gaz naturel, air, oxygène et azote.

En raison de leur fiabilité exceptionnelle et du fait qu'elles ne requièrent aucun entretien, elles sont particulièrement appréciées dans les domaines où les conditions de service sont les plus sévères, parmi lesquelles :

1. Sidérurgie.

La sidérurgie moderne est un important consommateur d’eau. La complexité de plus en plus grande des installations, leur automatisation, leurs dimensions ont donné aux problèmes de refroidissement une très grande importance. Les circuits de réfrigération sont devenus un élément vital permettant de maintenir l'outil à son niveau de production optimal.

Ceci implique que les aciéristes exigent un matériel d'une haute fiabilité pour le contrôle de ces circuits.

La vanne à papillon décrite ci-dessus, par son faible encombrement, par sa robustesse, sa fiabilité, a convaincu les utilisateurs. Elle est maintenant largement utilisée sur les circuits d'eau de refroidissement.

Les aciéristes lui ont également fait confiance pour le contrôle des circuits de gaz de haut fourneau. Le gaz de haut fourneau est particulièrement nocif ; aussi, aux impératifs de robustesse propres à toutes les vannes, viennent s'ajouter ceux de fiabilité et d’étanchéité particulièrement sévères.

2. Centrale de production d’oxygène.

Pour cette application, la vanne type 1B a été adaptée pour répondre à des conditions de service particulièrement sévères : fonctionnement sur circuit d'air ou d'azote 24 heures sur 24 pendant 2 ans avec au moins 100 manœuvres par jour. La pression différentielle varie de 6 à 9 bars. Ces vannes, exécutées en acier, sont équipées d'une motorisation pneumatique.

3. Centrales nucléaires et thermiques.

Les centrales thermiques sont de gros consommateurs d'eau, notamment sur les circuits de refroidissement du condenseur. En raison de son encombrement réduit, de sa robustesse et de sa faible perte de charge, la vanne présentée ici a été adoptée, depuis plusieurs années, par de nombreux utilisateurs européens.

Suite au développement du nucléaire, une vanne à papillon répond aux critères spécifiques de ce marché, notamment dans les circuits de ventilation pour lesquels la fiabilité, la robustesse et l'étanchéité sont essentielles et conditionnent le choix.

Des vannes à papillon sont construites conformément au Code ASME, Section 3, classe 2 ou 3. Ces vannes sont exécutées en acier et soumises à un contrôle sévère pendant leur construction.

4. Écluses, barrages, cales sèches.

Pour ces applications particulières, la fiabilité et la maniabilité de ces vannes à papillon solutionnent à la fois les problèmes de sécurité et de fonctionnement posés par ce marché. Elles existent pour des diamètres de 4 mètres et plus.

Dans ces domaines, les vannes type 1B sont particulièrement appréciées en raison de :

• — leur encombrement réduit,
• — leur résistance exceptionnelle à la déformation,
• — leur entretien pratiquement nul.

CONSTRUCTIONS SPÉCIALES

1. Vannes à papillon rectangulaires.

Les vannes à papillon rectangulaires sont utilisées aux U.S.A. en lieu et place des vannes murales ou à glissière.

Cette construction est plus intéressante car :

• — elle permet le réglage aisé et rapide de l'écoulement,
• — aucun dispositif de levage n'est requis, ce qui réduit les frais d'investissement et libère une place précieuse,
• — la fermeture étanche, ce qui garantit l’isolation du bassin pour permettre l’accès au personnel d'entretien,
• — frais d'installation moindres, du fait qu’elles peuvent être installées comme un ensemble monobloc.

2. Vannes pour conduites enterrées de réseaux d’incendie.

Pour ce qui concerne les conduites d'eau enterrées, un système de sécurité permet d'une part, un contrôle visuel immédiat et continu de la position du papillon et, d’autre part, assure le maintien de la vanne dans sa position ouverte en cas de destruction du dispositif de commande, ce qui est un élément de sécurité essentiel dans les implantations industrielles ou autres.

En terminant ce rapide tour d’horizon, il y a lieu de remarquer que si la vanne papillon est un objet d’aspect simple, sa qualité exige non seulement une grande expérience dans la détermination de la vanne qui convient à chaque application, mais aussi et surtout une fabrication soignée jusque dans les détails, ainsi qu'un contrôle sévère de la qualité. C'est à cette condition qu'elle donnera à l’usage toute la sécurité de fonctionnement que l’on exige d'un organe qui est souvent d'importance vitale.