Vanne

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Une vanne est un dispositif qui régule, dirige ou contrôle le débit d’un fluide (gaz, liquides, solides fluidisés ou boues) en ouvrant, fermant ou obstruant partiellement divers passages. Les vannes sont des raccords techniques, mais elles sont généralement considérées comme une catégorie distincte. Dans une vanne ouverte, le fluide circule dans le sens d’une pression plus élevée à une pression plus basse. Le mot est dérivé du latin valva, la partie mobile d’une porte, à son tour de volvere, tourner, rouler.

La valve la plus simple, et très ancienne, est simplement un clapet à charnière libre qui tombe pour obstruer l’écoulement du fluide (gaz ou liquide) dans une direction, mais qui est ouvert par l’écoulement dans la direction opposée. C’est ce qu’on appelle un clapet anti-retour, car il empêche ou « contrôle » le débit dans un sens. Les vannes de régulation modernes peuvent réguler la pression ou le débit en aval et fonctionner sur des systèmes d’automatisation sophistiqués.

Les vannes ont de nombreuses utilisations, y compris le contrôle de l’eau pour l’irrigation, les utilisations industrielles pour le contrôle des processus, les utilisations résidentielles telles que la marche/arrêt et le contrôle de pression pour la vaisselle et les laveuses et robinets dans la maison. Même les aérosols ont une minuscule valve incorporée. Les vannes sont également utilisées dans les secteurs militaire et des transports. Dans les conduits de CVC et autres flux d’air proche de l’atmosphère, les vannes sont plutôt appelées amortisseurs. Dans les systèmes d’air comprimé, cependant, les vannes sont utilisées avec le type le plus commun étant les vannes à boisseau sphérique.

Des vannes partout

On trouve des vannes dans pratiquement tous les procédés industriels, y compris le traitement de l’eau et des eaux usées, l’exploitation minière, la production d’électricité, le traitement du pétrole, du gaz et du pétrole, la fabrication alimentaire, la fabrication chimique et plastique et de nombreux autres domaines.

Les habitants des pays développés utilisent des robinets dans leur vie quotidienne, y compris des robinets de plomberie, comme les robinets pour l’eau du robinet, les vannes de contrôle du gaz sur les cuisinières, les petites vannes installées sur les machines à laver et les lave-vaisselle, les dispositifs de sécurité installés sur les chauffe-eau et les soupapes à clapet des moteurs automobiles.

Dans la nature, il y a des valves, par exemple des valves unidirectionnelles dans les veines qui contrôlent la circulation sanguine et des valves cardiaques qui contrôlent l’écoulement du sang dans les cavités du cœur et maintiennent l’action de pompage correcte.

Les vannes peuvent être actionnées manuellement, soit par une poignée, un levier, une pédale ou une roue. Les vannes peuvent également être automatiques, entraînées par des changements de pression, de température ou de débit. Ces changements peuvent agir sur une membrane ou un piston qui, à son tour, actionne la vanne. Les soupapes de sûreté montées sur les systèmes d’eau chaude sanitaire ou les chaudières sont des exemples de ce type de vanne que l’on trouve fréquemment.

Les systèmes de commande plus complexes utilisant des vannes nécessitant une commande automatique basée sur une entrée externe (c.-à-d. la régulation du débit dans une conduite jusqu’à un point de consigne variable) nécessitent un actionneur. Un actionneur actionnera la vanne en fonction de son entrée et de son réglage, ce qui permettra à la vanne d’être positionnée avec précision et de contrôler une variété d’exigences.

Variation

La forme et l’application des robinets varient considérablement. Les tailles[ambiguës] varient généralement de 0,1 mm à 60 cm. Les vannes spéciales peuvent avoir un diamètre supérieur à 5 mètres. [which ? ]

Le coût des robinets varie de simples robinets jetables peu coûteux à des robinets spécialisés qui coûtent des milliers de dollars US par pouce de diamètre du robinet.

Les valves jetables se trouvent dans les articles ménagers courants, y compris les mini-distributeurs à pompe et les bombes aérosols.

Une utilisation courante du terme soupape fait référence aux soupapes à clapet que l’on trouve dans la grande majorité des moteurs à combustion interne modernes, comme ceux de la plupart des véhicules à carburant fossile, qui sont utilisés pour contrôler l’admission du mélange carburant-air et permettre la ventilation des gaz d’échappement.

Types

Les vannes sont très diverses et peuvent être classées en plusieurs types de base. Les vannes peuvent également être classées en fonction de la manière dont elles sont actionnées :

Composants

Les pièces principales du type de vanne le plus courant sont le corps et le chapeau. Ces deux parties forment l’enveloppe qui retient le fluide traversant la vanne.

Corps

Le corps de la vanne est l’enveloppe extérieure de la plupart ou de la totalité de la vanne qui contient les pièces internes ou les garnitures. Le chapeau est la partie de l’enveloppe par laquelle passe la tige (voir ci-dessous) et qui forme un guide et un joint pour la tige. Le chapeau est généralement vissé ou boulonné sur le corps de vanne.

Les corps de vanne sont généralement métalliques ou en plastique. Le laiton, le bronze, le bronze, le bronze à canon, la fonte, l’acier, les aciers alliés et les aciers inoxydables sont très courants. Les applications de l’eau de mer, comme les usines de dessalement, utilisent souvent des vannes duplex, ainsi que des vannes super duplex, en raison de leurs propriétés de résistance à la corrosion, en particulier contre l’eau de mer chaude. Les vannes Alloy 20 sont généralement utilisées dans les usines d’acide sulfurique, tandis que les vannes monel sont utilisées dans les usines d’acide fluorhydrique (HF Acid). Les vannes Hastelloy sont souvent utilisées dans les applications à haute température, telles que les centrales nucléaires, tandis que les vannes inconel sont souvent utilisées dans les applications hydrogène. Les corps en plastique sont utilisés pour des pressions et des températures relativement basses. Le PVC, le PP, le PVDF et le nylon renforcé de verre sont des plastiques couramment utilisés pour les corps de vanne.

Bonnet

Un capot sert de couvercle sur le corps de vanne. Il est généralement vissé de manière semi-permanente dans le corps de vanne ou vissé sur celui-ci. Lors de la fabrication de la vanne, les pièces internes sont introduites dans le corps et le chapeau est ensuite fixé pour maintenir le tout à l’intérieur. Pour accéder aux pièces internes d’une vanne, l’utilisateur enlevait le capot, généralement pour l’entretien. De nombreuses vannes n’ont pas de chapeau ; par exemple, les robinets à tournant conique n’ont généralement pas de chapeau. Beaucoup de robinets à tournant sphérique n’ont pas de chapeau puisque le corps du robinet est assemblé dans un style différent, par exemple en étant vissé au milieu du corps du robinet.

Ports

Les orifices sont des passages qui permettent au fluide de passer à travers la vanne. Les orifices sont obstrués par l’élément ou le disque de la vanne pour contrôler le débit. Les vannes ont le plus souvent 2 orifices, mais peuvent en avoir jusqu’à 20. La vanne est presque toujours raccordée à ses orifices à des tuyaux ou à d’autres composants. Les méthodes de raccordement comprennent les filetages, les raccords à compression, la colle, le ciment, les brides ou le soudage.

Poignée ou actionneur

Une poignée est utilisée pour commander manuellement une vanne depuis l’extérieur du corps de vanne. Les vannes à commande automatique n’ont souvent pas de poignées, mais certaines peuvent avoir une poignée (ou quelque chose de similaire) pour remplacer manuellement la commande automatique, telle qu’une vanne d’arrêt et de contrôle. Un actionneur est un mécanisme ou un dispositif permettant de commander automatiquement ou à distance une vanne depuis l’extérieur du corps. Certaines vannes n’ont ni poignée ni actionneur parce qu’elles se commandent automatiquement de l’intérieur ; par exemple, les clapets anti-retour et les soupapes de sûreté peuvent ne pas en avoir.

Disque

Un disque ou un élément de soupape est une obstruction mobile à l’intérieur du corps fixe qui restreint de façon réglable le débit à travers la soupape. Bien que traditionnellement en forme de disque, les disques se présentent sous différentes formes. Selon le type de vanne, un disque peut se déplacer linéairement à l’intérieur d’une vanne, ou tourner sur la tige (comme dans une vanne papillon), ou tourner sur une charnière ou un tourillon (comme dans un clapet de retenue). Une bille est un élément de vanne rond avec un ou plusieurs chemins entre les orifices qui le traversent. En tournant la bille, le flux peut être dirigé entre différents orifices. Les robinets à tournant sphérique utilisent des rotors sphériques avec un trou cylindrique percé comme passage de fluide. Les robinets à tournant conique utilisent des rotors cylindriques ou coniques appelés bouchons. Dautres formes rondes pour les rotors sont également possibles dans les vannes de rotor, à condition que le rotor puisse être tourné à l’intérieur du corps de vanne. Cependant, tous les disques ronds ou sphériques ne sont pas des rotors ; par exemple, un clapet anti-retour à bille utilise la bille pour bloquer l’écoulement inverse, mais n’est pas un rotor car le fonctionnement du clapet n’implique pas la rotation de la bille.

Siège

Le siège est la surface intérieure du corps qui est en contact avec le disque pour former un joint étanche. Dans le cas des disques qui se déplacent linéairement ou qui pivotent sur une charnière ou un tourillon, le disque n’entre en contact avec le siège que lorsque la vanne est fermée. Dans les disques qui tournent, le siège est toujours en contact avec le disque, mais la zone de contact change lorsque le disque est tourné. Le siège reste toujours immobile par rapport au corps.

Les sièges sont classés selon qu’ils sont coupés directement dans le corps ou qu’ils sont faits d’un autre matériau :

  • Les sièges durs font partie intégrante du corps de vanne. Presque toutes les vannes en métal à siège dur ont une petite quantité de fuite.
  • Les sièges souples sont montés sur le corps de vanne et sont constitués de matériaux plus souples comme le PTFE ou différents élastomères comme le NBR, l’EPDM ou le FKM en fonction de la température maximale de fonctionnement.

Une vanne à siège souple fermée est beaucoup moins susceptible de fuir lorsqu’elle est fermée alors que les vannes à siège dur sont plus durables. Les robinets-vannes, robinets à soupape et clapets anti-retour sont habituellement à siège dur, tandis que les robinets à papillon, à tournant sphérique, à tournant conique et à membrane sont habituellement à siège mou.

Tige

La tige transmet le mouvement de la poignée ou du dispositif de commande au disque. La tige passe typiquement à travers le capot lorsqu’elle est présente. Dans certains cas, la tige et le disque peuvent être combinés en une seule pièce, ou la tige et le manche sont combinés en une seule pièce.

Le mouvement transmis par la tige peut être une force linéaire, un couple de rotation ou une combinaison de ceux-ci (vanne d’équerre utilisant un axe de réacteur à couple et un assemblage de moyeu). La vanne et la tige peuvent être filetées de façon à ce que la tige puisse être vissée dans ou hors de la vanne en la tournant dans un sens ou dans l’autre, déplaçant ainsi le disque d’avant en arrière à l’intérieur du corps. La garniture est souvent utilisée entre la tige et le capot pour maintenir l’étanchéité. Certaines vannes n’ont pas de commande externe et n’ont pas besoin d’une tige comme la plupart des clapets anti-retour.

Les soupapes dont le disque se trouve entre le siège et la tige et où la tige se déplace dans une direction dans la soupape pour la fermer sont normalement assises ou placées à l’avant. Les soupapes dont le siège se trouve entre le disque et la tige et où la tige se déplace dans une direction hors de la soupape pour la fermer sont à siège inversé ou à siège arrière. Ces termes ne s’appliquent pas aux vannes sans tige ou aux vannes utilisant des rotors.

Joints

Les joints d’étanchéité sont les garnitures mécaniques, ou garnitures, utilisées pour empêcher la fuite d’un gaz ou d’un fluide par les vannes.

Billes de vanne

Une bille de soupape est également utilisée pour les applications à service sévère, haute pression et haute tolérance. Ils sont généralement fabriqués en acier inoxydable, titane, Stellite, Hastelloy, laiton ou nickel. Ils peuvent également être fabriqués en différents types de plastique, comme l’ABS, le PVC, le PP ou le PVDF.

Printemps

De nombreuses vannes sont équipées d’un ressort de rappel, qui déplace normalement le disque dans une certaine position par défaut, mais qui permet au contrôle de le repositionner. Les soupapes de sûreté utilisent généralement un ressort pour maintenir la soupape fermée, mais permettent à une pression excessive de forcer l’ouverture de la soupape contre la charge du ressort. Des ressorts hélicoïdaux sont normalement utilisés. Les matériaux typiques des ressorts sont l’acier zingué, l’acier inoxydable et l’Inconel X750 pour les applications à haute température.

Trim

Les éléments internes d’une vanne sont collectivement désignés sous le nom de garniture de vanne. Selon la norme API 600  » Steel Gate Valve-Flanged and Butt-weldding Ends, Bolted Bonnets « , la garniture se compose d’une tige, d’une surface d’appui dans le corps, d’une surface d’appui de la porte, d’une douille ou d’une soudure déposée pour le guide du siège arrière et du trou de tige, et de petites pièces internes qui sont normalement en contact avec le fluide de service, sauf la tige qui est utilisée pour faire un assemblage tige à grille (cette broche sera faite d’acier austénitique inoxydable).

Positions de fonctionnement de la vanne

Les positions des vannes sont des conditions de fonctionnement déterminées par la position du disque ou du rotor dans la vanne. Certaines vannes sont conçues pour être actionnées progressivement entre deux ou plusieurs positions. Les clapets anti-retour et les clapets anti-retour permettent au fluide de se déplacer dans 2 ou 1 directions respectivement.

Vannes à deux voies

Les positions de fonctionnement des vannes à 2 orifices peuvent être soit fermées (fermées) de sorte qu’aucun débit ne passe, soit complètement ouvertes pour un débit maximal, soit parfois partiellement ouvertes à tout degré entre les deux. De nombreuses vannes ne sont pas conçues pour contrôler avec précision le degré intermédiaire de débit ; ces vannes sont considérées comme étant ouvertes ou fermées. Certaines vannes sont spécialement conçues pour réguler des débits variables. De telles vannes ont été appelées par divers noms tels que les vannes de régulation, d’étranglement, de dosage ou les vannes à pointeau. Par exemple, les robinets à pointeau ont des disques coniques allongés et des sièges assortis pour un contrôle fin du débit. Pour certaines vannes, il peut y avoir un mécanisme pour indiquer dans quelle mesure la vanne est ouverte, mais dans de nombreux cas, d’autres indications de débit sont utilisées, comme des débitmètres séparés.

Dans les installations à commande à distance, telles que les raffineries de pétrole et les usines pétrochimiques, certaines vannes 2 voies peuvent être désignées comme normalement fermées (NC) ou normalement ouvertes (NO) en fonctionnement normal. Des exemples de vannes normalement fermées sont les vannes d’échantillonnage, qui ne s’ouvrent que lorsqu’un échantillon est prélevé. D’autres exemples de vannes normalement fermées sont les vannes d’arrêt d’urgence, qui restent ouvertes lorsque le système est en fonctionnement et se ferment automatiquement en coupant l’alimentation électrique. Cela se produit lorsqu’il y a un problème avec une unité ou une section d’un système fluidique, comme une fuite, afin d’isoler le problème du reste du système. Des exemples de vannes normalement ouvertes sont les vannes d’alimentation en gaz de purge ou les soupapes de décharge d’urgence. En cas de problème, ces vannes s’ouvrent (en les fermant), ce qui provoque le rinçage et la vidange de l’appareil.

Bien que de nombreuses vannes à deux voies soient fabriquées de telle sorte que le débit puisse aller dans les deux sens entre les deux orifices, lorsqu’une vanne est placée dans une certaine application, on s’attend souvent à ce que le débit passe d’un certain orifice du côté amont de la vanne vers l’autre orifice du côté aval. Les régulateurs de pression sont des variations de vannes dans lesquelles le débit est contrôlé pour produire une certaine pression en aval, si possible. Ils sont souvent utilisés pour contrôler le débit de gaz provenant d’une bouteille de gaz. Un régulateur de contre-pression est une variation d’une vanne dans laquelle le débit est contrôlé pour maintenir une certaine pression en amont, si possible.

Vannes à trois voies

Les vannes à trois orifices remplissent de nombreuses fonctions différentes. Quelques-unes des possibilités sont énumérées ici.

Les robinets à tournant sphérique à trois voies sont munis de passages de fluide en T ou en L à l’intérieur du rotor. La vanne en T peut être utilisée pour permettre le raccordement d’une entrée à l’une ou l’autre ou aux deux sorties ou le raccordement des deux sorties. La vanne en L peut être utilisée pour permettre la déconnexion des deux ou la connexion de l’une ou l’autre, mais pas des deux, des deux entrées à une sortie.

Les clapets inverseurs relient automatiquement l’entrée de pression supérieure à la sortie tout en empêchant (dans certaines configurations) l’écoulement d’une entrée à l’autre.

Les vannes mélangeuses à une poignée produisent un mélange variable d’eau chaude et d’eau froide à un débit variable sous le contrôle d’une seule poignée.

Les mitigeurs thermostatiques mélangent l’eau chaude et l’eau froide pour produire une température constante en présence de pressions et de températures variables sur les deux orifices d’entrée.

Vannes à quatre orifices

Une vanne à 4 orifices est une vanne dont le corps comporte quatre orifices également espacés autour du corps et le disque comporte deux passages pour relier les orifices adjacents. Il fonctionne avec deux positions.

Il peut être utilisé pour isoler et contourner simultanément un cylindre d’échantillonnage installé sur une conduite d’eau sous pression. Il est utile de prélever un échantillon de fluide sans affecter la pression d’un système hydraulique et d’éviter le dégazage (pas de fuite, pas de perte de gaz ou d’entrée d’air, pas de contamination externe)……

Contrôle

De nombreuses vannes sont commandées manuellement à l’aide d’une poignée fixée à la tige. Si la poignée est tournée de 90 degrés entre les positions de fonctionnement, la vanne est appelée vanne quart de tour. Les robinets à papillon, les robinets à boisseau sphérique et les robinets à tournant conique sont souvent des robinets quart de tour. Si la poignée est circulaire avec la tige comme axe de rotation au centre du cercle, alors la poignée est appelée une manivelle. Les vannes peuvent également être commandées par des actionneurs fixés sur la tige. Il peut s’agir d’actionneurs électromécaniques tels qu’un moteur électrique ou un solénoïde, d’actionneurs pneumatiques commandés par la pression de l’air ou d’actionneurs hydrauliques commandés par la pression d’un liquide comme l’huile ou l’eau. Les actionneurs peuvent être utilisés pour la commande automatique comme dans les cycles de machine à laver, la commande à distance comme l’utilisation d’une salle de contrôle centralisée, ou parce que la commande manuelle est trop difficile comme lorsque la vanne est très grande. Les actionneurs pneumatiques et hydrauliques ont besoin de conduites d’air ou de liquide sous pression pour alimenter l’actionneur : une conduite d’entrée et une conduite de sortie. Les vannes pilotes sont des vannes utilisées pour commander d’autres vannes. Des vannes pilotes dans les lignes d’actionneurs contrôlent l’alimentation en air ou en liquide des actionneurs.

La vanne de remplissage d’un réservoir d’eau de toilette est une vanne actionnée par un niveau de liquide. Lorsqu’un niveau d’eau élevé est atteint, un mécanisme ferme la vanne qui remplit le réservoir.

Dans certaines conceptions de vannes, la pression du fluide en soi ou la différence de pression du fluide entre les orifices contrôle automatiquement le débit à travers la vanne.

Autres considérations

Les vannes sont généralement homologuées par le fabricant pour une température et une pression maximales. Les matériaux en contact avec le fluide d’une vanne sont généralement également identifiés. Certaines vannes à très haute pression sont disponibles. Lorsqu’un concepteur, un ingénieur ou un utilisateur décide d’utiliser une vanne pour une application, il doit s’assurer que la température et la pression maximales nominales ne sont jamais dépassées et que les matériaux mouillés sont compatibles avec le fluide auquel l’intérieur de la vanne est exposé. En Europe, la conception et les pressions nominales des vannes sont régies par la directive sur les équipements sous pression 97/23/CE (PED).

Certaines conceptions de systèmes fluides, en particulier dans les centrales chimiques ou les centrales électriques, sont représentées schématiquement dans les diagrammes de tuyauterie et d’instrumentation. Dans ces diagrammes, différents types de vannes sont représentés par certains symboles.

Les robinets en bon état doivent être étanches. Cependant, les soupapes peuvent s’user à la longue et développer une fuite, soit entre l’intérieur et l’extérieur de la soupape, soit, lorsque la soupape est fermée pour arrêter le débit, entre le disque et le siège. Une particule piégée entre le siège et le disque pourrait également causer une telle fuite.

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