MANUEL DE LA VANNE
DE RÉGULATION
Cinquième édition
Emerson Automation Solutions
Contrôles des uides
Marshalltown, Iowa 50158 États-Unis
Sorocaba, 18087 Brésil
Cernay, 68700 France
Dubaï, Émirats arabes unis
Singapore 128461 Singapour
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Préface
Les vannes de régulation sont un élément de plus en plus essentiel des usines modernes à
travers le monde. Des vannes de régulation soigneusement sélectionnées et entretenues
assurent une meilleure efcacité, sécurité, rentabilité, et un plus grand respect de
l'environnement.
Le manuel de la vanne de régulation est une référence incontournable depuis sa première
impression, en 1965. Cette cinquième édition présente des informations vitales quant aux
performances de la vanne de régulation et aux dernières technologies.
Le Chapitre 1 propose une introduction sur les vannes de régulation, les dénitions de la
terminologie commune aux vannes de régulation et à leurs instruments.
Le Chapitre 2 développe les éléments essentiels des performances des vannes de régulation.
Le Chapitre 3 présente les types de vannes et d'actionneurs.
Le Chapitre 4 décrit les contrôleurs numériques de vannes, les positionneurs analogiques, les
boosters et d'autres accessoires des vannes de régulation.
Le Chapitre 5 constitue un guide complet à la sélection de la meilleure vanne de régulation
pour une application donnée.
Le Chapitre 6 traite de la sélection et de l'utilisation de vannes de régulation spéciales.
Le Chapitre 7 explique les désurchauffeurs, les vannes de conditionnement de la vapeur et les
systèmes de dérivation de la turbine.
Le Chapitre 8 présente de manière détaillée les procédures d'installation et de maintenance
d'une vanne de régulation type.
Le Chapitre 9 contient des informations concernant les normes applicables aux vannes de
régulation et les agences d'approbation dans le monde.
Le Chapitre 10 identie les vannes d'isolement et les actionneurs.
Le Chapitre 11 traite de l'automatisation discrète.
Le Chapitre 12 présente les différents systèmes instrumentés de sécurité du procédé.
Le Chapitre 13 contient des tableaux utiles de données de références de l'ingénierie.
Le Chapitre 14 fournit des données de référence pour les conduits.
Le Chapitre 15 est une ressource utile pour les conversions communes.
Les Ressources supplémentaires ont été préparées pour les systèmes : elles peuvent s'avérer
utiles pour toujours rester informé quant aux produits Fisher ou à ceux du secteur du contrôle
des uides en général. Un lien à cette section est fourni à la n de chaque chapitre.
Le Manuel des vannes de régulation est à la fois un livre de texte et une référence concernent
l'élément essentiel de la boucle de contrôle : la vanne de régulation et ses accessoires. Ce livre
comprend des notions exhaustives et éprouvées fournies par les principaux experts du domaine
du contrôle de procédé, ainsi que des contributions ISA.
Sommaire
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
Chapitre 1 - Introduction aux vannes de régulation ............................... 14
1.1 Qu'est-ce qu'une vanne de régulation ? .............................................................. 15
1.2 Terminologie liée aux vannes de régulation à tige montante .............................. 15
1.3 Terminologie liée aux vannes de régulation rotatives ......................................... 21
1.4 Terminologiedes fonctions et des caractéristiques des vannes de régulation ..... 24
1.5 Terminologie du contrôle du procédé ................................................................26
Chapitre 2 - Performances des vannes de régulation .............................32
2.1 Variabilité des processus .................................................................................... 33
2.1.1 Bande morte ............................................................................................................ 35
2.1.1.1 Causes de la bande morte ................................................................................................ 35
2.1.1.2 Effets de la bande morte .................................................................................................. 36
2.1.1.3 Essais de performances ................................................................................................... 36
2.1.1.4 Friction ........................................................................................................................... 36
2.1.2 Conception de l'actionneur et du positionneur ..........................................................37
2.1.3 Temps de réponse de la vanne .................................................................................. 38
2.1.3.1 Temps mort..................................................................................................................... 38
2.1.3.2 Temps dynamique ........................................................................................................... 38
2.3.1.3 Solutions ......................................................................................................................... 39
2.3.1.4 Pression d'alimentation ................................................................................................... 40
2.3.1.5 Minimisation du temps mort ........................................................................................... 40
2.3.1.6 Temps de réponse de la vanne .........................................................................................41
2.1.4 Type de vanne et caractérisation ..............................................................................41
2.1.4.1 Gain installé .................................................................................................................... 43
2.1.4.2 Gain de boucle ................................................................................................................ 43
2.1.4.3 Optimisation du procédé ................................................................................................. 44
2.1.5 Dimensionnement de la vanne ................................................................................. 45
2.2 Résultats économiques ...................................................................................... 46
2.3 Récapitulatif ...................................................................................................... 48
Chapitre 3 - Types de vannes et d'actionneurs .......................................50
3.1 Types de vannes de régulation ........................................................................... 51
3.1.1 Robinets à soupape .................................................................................................. 51
3.1.1.1 Corps de vanne à une voie ............................................................................................... 51
3.1.1.2 Corps de vannes à guidage postérieur et guidage par le passage ...................................... 52
3.1.1.3 Corps de vanne à cage ..................................................................................................... 52
3.1.1.4 Corps de vanne à deux voies ............................................................................................ 53
3.1.1.5 Corps de vanne à trois voies ............................................................................................. 53
3.1.2 Vannes sanitaires ..................................................................................................... 54
3.1.3 Vannes rotatives ...................................................................................................... 54
3.1.3.1 Corps des vannes papillon ............................................................................................... 54
3.1.3.2 Corps desvannes à boisseau sphérique segmenté ............................................................. 55
3.1.3.3 Corps des vannes papillon hautes performances ..............................................................55
5
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
3.1.3.4 Corps des vannes à clapet excentré .................................................................................. 56
3.1.3.5 Corps desvannes à boisseau sphérique ............................................................................ 56
3.1.3.6 Sélecteur de débit à passages multiples ........................................................................... 57
3.2 Extrémités de raccordement de la vanne de régulation ...................................... 57
3.2.1 Conduits letés à visser ............................................................................................ 57
3.2.2 Brides à goujon boulonné .........................................................................................58
3.2.3 Extrémités de raccordement soudées .......................................................................58
3.2.4 Autres extrémités de raccordement de vanne ........................................................... 59
3.3 Chapeaux du corps de vanne .............................................................................. 59
3.3.1 Chapeaux élargis .....................................................................................................60
3.3.2 Figure 2 Chapeaux à soufet .................................................................................... 60
3.4 Garniture des vannes de régulation .................................................................... 61
3.4.1 Bague en V en PTFE .................................................................................................. 61
3.4.2 Graphite laminée et lament ....................................................................................62
3.4.3 Exigences règlementaires américaines pour les émissions fugitives ...........................62
3.4.4 Normes globales en matière d'émissions fugitives..................................................... 63
3.4.5 Garniture de bague en V simple en PTFE ................................................................... 64
3.4.6 Garniture ENVIRO-SEAL PTFE .................................................................................... 65
3.4.7 Garniture ENVIRO-SEAL Duplex ................................................................................ 65
3.4.8 Garniture ISO-Seal PTFE ...........................................................................................65
3.4.9 ENVIRO-SEAL Graphite ULF ....................................................................................... 65
3.4.10 HIGH-SEAL Graphite ULF ........................................................................................ 67
3.4.11 Garniture ISO-Seal Graphite ................................................................................... 67
3.4.12 ENVIRO-SEAL Graphite pour vannes rotatives ......................................................... 67
3.4.13 Ruban en graphite pour les vannes rotatives ...........................................................67
3.4.14 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour la tige montante ...... 67
3.4.15
Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour les vannes rotatives
3.5 Caractérisation des corps de vanne guidés par une cage .................................... 67
3.6 Guidage du clapet de la vanne ........................................................................... 69
3.7 Équipement interne de la vanne de régulation à capacité restreinte ................... 70
3.8 Actionneurs .......................................................................................................70
3.8.1 Actionneurs à membrane .........................................................................................70
3.8.2 Actionneurs à piston ................................................................................................ 72
3.8.4 Actionneurs à rack et pignon ....................................................................................73
3.8.5 Actionneurs électriques ............................................................................................73
... 67
Chapitre 4 - Accessoires pour vannes de régulation ............................... 74
4.1 Considérations en termes d'environnement et d'application .............................. 75
4.2 Positionneurs ..................................................................................................... 75
4.2.1 Positionneurs pneumatiques .................................................................................... 75
4.2.2 Positionneurs analogiques I/P ..................................................................................76
4.2.3 Contrôleurs numériques de vanne ............................................................................ 77
4.2.3.1 Diagnostic....................................................................................................................... 77
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Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
4.2.3.2 Communication numérique dans les deux sens ................................................................ 78
4.3 Transducteurs I/P ............................................................................................... 78
4.4 Amplicateurs de volume ..................................................................................78
4.5 Systèmes instrumentés de sécurité (SIS) ............................................................ 80
4.5.1 Essais de course partielle .......................................................................................... 80
4.6 Contrôleurs........................................................................................................ 81
4.7 Transmetteurs de position ................................................................................. 83
4.8 Fins de course .................................................................................................... 83
4.9 Électrovannes ....................................................................................................83
4.10 Systèmes de déclenchement ........................................................................... 84
4.11 Commandes manuelles ................................................................................... 84
Chapitre 5 - Dimensionnement des vannes de régulation ...................... 86
5.1 Dimensions des vannes de régulation ............................................................... 88
5.1.1 Dimensions face à face des vannes de régulation à bride et des robinets à soupape ...... 88
5.1.2 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités
soudées bout à bout ......................................................................................................... 90
5.1.3 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités
à emboîtement soudé ...................................................................................................... 91
5.1.4 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités vissées .......... 92
5.1.5 Dimensions de la face au centre pour les robinets à soupape d'équerre
à face surélevée ................................................................................................................92
5.1.6 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape à bride détachable ................93
5.1.7 Dimensions de face à face pour les vannes rotatives avec ou sans bride
(sauf les vannes papillon) .................................................................................................. 93
5.1.8 Dimensions de face à face pour les vannes papillon à une bride (à oreille)
et sans bride (Wafer) ........................................................................................................ 94
5.1.9 Dimensions de face à face pour les vannes papillon haute pression à excentration ....94
5.2 Classements des fuites au siège des vannes de régulation .................................. 95
5.3 Fuite au siège maximum admise de classe VI ...................................................... 96
5.4 Caractéristiques du débit de la vanne de régulation ........................................... 96
5.4.1 Caractéristiques du débit .........................................................................................96
5.4.2 Choix des caractéristiques du débit...........................................................................97
5.5 Dimensionnement de la vanne ........................................................................... 97
5.7 Constantes d'équation ...................................................................................... 99
5.8 Dimensionnement des vannes pour les liquides ............................................... 100
5.8.1 Déterminer le facteur de géométrie du conduit (FP) et le facteur de récupération
de la pression du liquide (FLP) ajusté selon l'équipement....................................................100
5.8.2 Déterminer la chute de pression à utiliser pour le dimensionnement (∆P
5.8.3 Calculer le coefcient de débit nécessaire (Cv) ......................................................... 101
5.8.4 Difculté d'échantillonnage du dimensionnement du liquide .................................. 102
5.9 Dimensionnement des vannes pour les uides compressibles .......................... 104
dimensionnent
) .....101
7
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
5.9.1 Déterminer le facteur de géométrie du conduit (FP) ainsi que le facteur du taux
de chute de pression (xTP) à débit par à-coups avec des équipements mis en place ............ 105
5.9.2 Déterminer le taux de chute de pression à utiliser pour le dimensionnement
(x
dimensionnement
) et le facteur d'expansion (Y) ....................................................................... 105
5.9.3 Calculer le coefcient de débit (Cv) .......................................................................... 105
5.9.4 Le problème n°1 de l'échantillon de dimensionnement du uide compressible ......... 106
5.9.5 Le problème n°2 de l'échantillon de dimensionnement du uide compressible ......... 107
5.10 Coefcients de dimensionnement représentatifs ........................................... 109
5.10.1 Coefcients de dimensionnement représentatifs pour les corps de vannes
à une voie des robinets à soupape ................................................................................... 109
5.10.2 Coefcients de dimensionnement représentatifs des vannes rotatives ..................110
5.11 Dimensionnement de l'actionneur ................................................................. 111
5.11.1 Robinets à soupape ..............................................................................................111
5.11.1.1 Force déséquilibrée (A) ................................................................................................ 111
5.11.1.2 Force nécessaire à générer l'effort sur le siège (B) ......................................................... 112
5.11.1.3 Friction de la garniture (C) ........................................................................................... 112
5.11.1.4 Autres forces (D) ......................................................................................................... 112
5.11.2 Calculs de la force de l'actionneur .........................................................................114
5.12 Dimensionnement de l'actionneur pour les vannes rotatives .......................... 114
5.12.1 Équations de couple .............................................................................................114
5.12.2 Couple de début de course ...................................................................................114
5.12.3 Couple dynamique ...............................................................................................114
5.13 Facteurs type de couple pour les vannes rotatives .......................................... 115
5.13.1 Facteurs de couple pour les vannes à boisseau sphérique spéciques à encoche
en V avec un joint en composite ......................................................................................115
5.13.2 Facteurs de couple pour les vannes papillon avec un joint en composite ................ 115
5.13.2.1 Rotation maximum .....................................................................................................115
5.14 Cavitation et détente ..................................................................................... 116
5.14.1 Un débit par à-coups provoque la détente et la cavitation ..................................... 116
5.14.2 Sélection de la vanne pour le fonctionnement avec détente .................................. 117
5.14.3 Sélection de la vanne pour le fonctionnement avec cavitation ..............................117
5.15 Prédiction du bruit ......................................................................................... 118
5.15.1 Aérodynamique ................................................................................................... 118
5.15.2 Hydrodynamique ................................................................................................. 120
5.16 Contrôle du bruit ........................................................................................... 120
5.17 Récapitulatif du bruit .....................................................................................123
5.18 Sélection de la garniture ................................................................................124
5.18.1 Indications pour le choix de la garniture des vannes à tige montante ....................125
5.18.2 Indications pour le choix de la garniture des vannes rotatives ...............................126
5.19 Matériau du corps de vanne ........................................................................... 127
5.19.1 Désignations des matériaux communs des corps de vanne ................................... 129
5.20 Valeurs de pression et de température ........................................................... 130
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Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
5.20.1 Valeurs de pression et de température pour les vannes moulées standard
de classe ASTM A216 Grade WCC .................................................................................... 130
5.20.2 Valeurs de pression et de température pour les vannes moulées standard
de classe ASTM A217 Grade WC9 .................................................................................... 131
5.20.3 Valeurs de pression et de température pour les vannes moulées standard
de classe ASTM A351 Grade CF3 ......................................................................................132
5.20.4 Valeurs de pression et de température pour les vannes standard de
classe ASTM A351 Grades CF8M et CG8M
(1) ............................................................................................................................133
5.21 Abréviationsdes matières non métalliques ..................................................... 135
5.22 Procédures de contrôle non destructif ........................................................... 135
5.22.1 Contrôle magnétoscopique (surface) ....................................................................135
5.22.2 Ressuage (Surface)...............................................................................................136
5.22.3 Radiographie (volumétrique) ...............................................................................136
5.22.4 Ultrasons (volumétrique) .....................................................................................136
Chapitre 6 - Vannes de régulation spéciales .........................................138
6.1 Vannes de régulation haute capacité ............................................................... 139
6.2 Vannes de régulation faible débit ..................................................................... 140
6.3 Vannes de régulation haute température ......................................................... 140
6.4 Vannes pour l'utilisation cryogénique .............................................................. 141
6.5 Vannes soumises à la cavitation et aux uides contenant des particules ........... 141
6.6 Caractéristiques personnalisées, abattement du bruit et équipement
interne pour la mitigation de la cavitation .............................................................. 142
6.7 Vannes de régulation à usage nucléaire aux États-Unis ..................................... 142
6.8 Vannes sujettes aux ssures dues au sulfure ..................................................... 143
6.8.1 Révisions de NACE MR0175 avant 2003 .................................................................143
6.8.2 NACE MR0175/ISO 15156 ...................................................................................... 144
6.8.3 NACE MR0103 .......................................................................................................145
Chapitre 7 - Conditionnement de la vapeur .........................................146
7.1 Comprendre le désurchauffage ........................................................................ 147
7.1.1 Aspects techniques du désurchauffage ................................................................... 147
7.2 Conceptions type d'un désurchauffeur ............................................................. 150
7.2.1 Conception d'une buse à géométrie xe ..................................................................150
7.2.2 Conception d'une buse à géométrie variable ........................................................... 151
7.2.3 Conception autonome ...........................................................................................151
7.2.5 Conception entre brides à géométrie assistée .........................................................152
7.3 Comprendre les vannes de conditionnement de la vapeur ............................... 153
7.4 Vannes de conditionnement de la vapeur ......................................................... 153
7.4.1 Désurchauffeur à vapeur ........................................................................................ 155
7.4.2 Arroseur de vapeur ................................................................................................. 155
7.6 Composants du système de contournement de la turbine ............................... 156
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Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
7.6.1 Vannes de contournement de la turbine ................................................................. 156
7.6.2 Vannes de régulation de l'eau pour le contournement de la turbine .........................156
7.6.3 Actionnement ........................................................................................................ 157
Chapitre 8 - Installation et maintenance ..............................................158
8.1 Bon stockage et protection adéquate ..............................................................159
8.2 Bonnes techniques d'installation ...................................................................... 159
8.2.1 Lire le manuel d'instructions ................................................................................... 159
8.2.2 Veiller à ce que les conduits soient propres .............................................................. 159
8.2.4 Appliquer les bonnes pratiques en matière de conduits ........................................... 160
8.2.5 Équipement de purge, essai hydrostatique et mise en route ....................................161
8.3 Maintenance des vannes de régulation ............................................................ 161
8.3.1 Maintenance réactive .............................................................................................162
8.3.2 Maintenance préventive ......................................................................................... 162
8.3.3 Maintenance prédictive .......................................................................................... 162
8.3.4 Utilisation du diagnostic de la vanne de régulation ................................................. 162
8.3.4.1 Fuite d'air instrument .................................................................................................... 163
8.3.4.2 Pression d'alimentation .................................................................................................163
8.3.4.3 Écart de course et ajustement du relais .......................................................................... 163
8.3.4.4 Qualité de l'air instrument ............................................................................................. 164
8.3.4.5 Friction en service et tendances de la friction ..................................................................164
8.3.4.6 Autres exemples ............................................................................................................ 164
8.3.5 Développement du diagnostic continu ...................................................................164
8.4 Entretien et réparation des pièces .................................................................... 164
8.4.1 Pièces détachées recommandées ...........................................................................164
8.4.2 Utilisation des pièces du fabricant d'équipement d'origine (FEO) .............................165
8.4.3 Mises à niveau de l'équipement interne ...................................................................165
8.5 Maintenance de l'actionneur ............................................................................ 165
8.5.1 Actionneurs à membrane ...................................................................................... 165
8.5.2 Actionneurs à piston .............................................................................................. 165
8.5.3 Garniture de la tige ................................................................................................ 166
8.5.4 Bagues de siège......................................................................................................166
8.5.4.1 Remplacer les bagues de siège ....................................................................................... 166
8.5.4.2 Raccordements : clapet/tige, bille/arbre, disque/arbre .................................................... 166
8.5.5 Réglage sur banc ...................................................................................................167
8.5.6 Course de la vanne ................................................................................................. 167
Chapitre 9 - Normes et agréments ......................................................168
9.1 Normes pertinentes aux vannes de régulation ................................................. 169
9.1.1 American Petroleum Institute (API) .........................................................................169
9.1.2 American Society of Mechanical Engineers (ASME) .................................................169
9.1.3 Comité Européen de Normalisation (CEN)...............................................................169
9.1.3.1 Normes européennes concernant les vannes industrielles............................................... 169
9.1.3.2 Normes européennes concernant les matériaux .............................................................170
10
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
9.1.3.3 Normes européennes concernant les brides ...................................................................170
9.1.4 Fluid Controls Institute (FCI) ...................................................................................170
9.1.5 Instrument Society of America (ISA) .......................................................................170
9.1.6 Commission Électrotechnique Internationale (CI) ................................................... 171
9.1.7 Manufacturers Standardization Society (MSS) ........................................................ 171
9.1.8 NACE International ................................................................................................. 171
9.2 Homologations des produits pour les environements (classés) dangereux ....... 172
9.2.1 Homologations et dénitions des emplacements dangereux ...................................172
9.3 Systèmes de classement .................................................................................. 172
9.3.1 Système de classe/division ...................................................................................... 172
9.3.2 Système par zone ................................................................................................... 173
9.3.3 Groupes d'équipement ........................................................................................... 174
9.3.4 Sous-groupes d'équipement ................................................................................... 174
9.3.4.1 Groupe II (communément désigné par « groupe gaz ») ................................................... 174
9.3.4.2 Groupe III (communément désigné par « groupe poussière ») ......................................... 174
9.3.5 Type de protection .................................................................................................175
9.3.5.1 Équipement électrique ................................................................................................... 175
9.3.5.2 Équipement non électrique ............................................................................................176
9.3.6 Niveau de protection .............................................................................................. 177
9.3.7 Niveau de protection de l'équipement (Equipment Protection Level, EPL) ................. 177
9.4 Code de température....................................................................................... 178
9.5 Nomenclature.................................................................................................. 179
9.5.1 Système de classe/division ...................................................................................... 179
9.5.2 Système par zone ................................................................................................... 179
9.5.3 Pratiques de câblage .............................................................................................. 179
9.5.4 Union Européenne (UE) – Directive ATEX 2014/34/EU ............................................. 179
9.6 Techniques et méthodes de protection ............................................................ 181
9.6.1 Technique anti-déagration ou anti-incendiaire .....................................................181
9.6.2 Technique à sécurité intrinsèque ............................................................................181
9.6.3 Technique non incendiaire, ou de type n ................................................................. 182
9.6.4 Sécurité augmentée ............................................................................................... 182
9.6.5 Enceinte anti-poussière .......................................................................................... 183
9.7 Valeurs des enceintes ....................................................................................... 183
Chapitre 10 - Vannes d’isolement ....................................................... 186
10.1 Types de vannes de base ................................................................................ 187
10.1.1 Robinets vannes ................................................................................................... 187
10.1.2 Robinets à soupape ..............................................................................................188
10.1.3 Clapets anti-retour ...............................................................................................191
10.1.4 Vannes de dérivation ............................................................................................192
10.1.6 Robinets-vannes à manchon ................................................................................ 193
10.1.7 Vannes à boisseau sphérique ................................................................................ 194
10.1.8 Vannes papillon ...................................................................................................194
10.1.9 Vannes à clapet....................................................................................................195
11
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
Chapitre 11 - Électrovannes ................................................................ 210
11.1 Électrovannes ................................................................................................ 211
Chapitre 12 - Systèmes instrumentés de sécurité ................................ 214
12.1 Sécurité et niveaux de protection................................................................... 215
12.2 Systèmes instrumentés de sécurité (SIS) ........................................................ 216
12.3 Normes de sécurité ........................................................................................ 217
12.4 Niveau d'intégrité de la sécurité (SIL) ............................................................. 217
12.5 Probabilité de défaillance sur demande .......................................................... 218
12.6 Éléments naux, essais périodiques et techniques d'essai de course partielle . 219
12.7 Essai de course partielle ................................................................................. 219
12.8 Méthode d'essai de l'élément nal en ligne .................................................... 220
12.9 Utilisation du contrôleur numérique de vanne pour l'essai de course partielle 220
12.10 Système de protection contre la surpression à haute abilité (HIPPS) ........... 221
12.11 Fonctionnalité du HIPPS .............................................................................. 221
12.12 Exigences en matière d'essais ....................................................................... 221
Chapitre 13 - Données d'ingénierie .....................................................224
13.1 Spécications standard pour le matériau de retenue de pression de la vanne . 225
13.2 Propriétés du matériau des vannes pour les composants de retenue de
la pression ............................................................................................................. 232
13.3 Constantes physiques des hydrocarbures ...................................................... 234
13.4 Rapport de chaleurs massiques (k) ................................................................. 237
13.5 Constantes physiques de différents uides ..................................................... 238
13.6 Réfrigérant 717 (ammoniac) Propriétés du liquide et de la vapeur saturée ..... 240
13.7 Propriétés de l'eau ......................................................................................... 247
13.8 Propriétés de la vapeur saturée ...................................................................... 248
13.9 Propriétés de la vapeur surchauffée ...............................................................257
Chapitre 14 - Données des conduites ..................................................266
14.1 Engagement du conduit ................................................................................ 267
14.2 Acier au carbone et acier allié - Acier inoxydable............................................. 267
14.3 Dimensions américaines desbrides de tuyauterie ........................................... 275
14.3.1 Diamètre des cercles de perçage .......................................................................... 275
14.3.2 Nombre de goujons et leur diamètre ....................................................................276
14.3.3 Diamètre de bride ................................................................................................ 277
14.3.4 Épaisseur de la bride pour les raccords de bride ..................................................... 278
14.4 Normes concernant les brides en acier moulé ................................................ 280
14.4.1 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 10 .................................................. 280
12
Manuel de la vanne de régulation | Sommaire
14.4.2 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 16 .................................................. 281
14.4.3 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 25 .................................................. 282
14.4.4 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 40 .................................................. 283
14.4.5 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 63 .................................................. 284
14.4.6 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 100 ................................................ 284
14.4.7 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 160 ................................................ 285
14.4.8 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 250 ................................................ 285
14.4.9 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 320 ................................................ 286
14.4.10 Normes sur les brides en acier moulè pour PN 400 .............................................. 286
Chapitre 15 - Conversions et équivalences ..........................................288
15.1 Équivalents de longueur................................................................................. 289
15.2 Équivalences entre les pouces et les millimètres ............................................. 289
15.3 Équivalences entre les pouces fractionnaires et les millimètres ...................... 290
15.4 Autres équivalences entre les pouces fractionnaires et les millimètres ........... 291
15.5 Équivalents de surface ................................................................................... 293
15.6 Équivalents de volume ................................................................................... 293
15.7 Équivalents du taux de volume....................................................................... 293
15.8 Conversion de la masse de livres en kilogrammes .......................................... 294
15.9 Équivalents de pression .................................................................................. 294
15.10 Conversion de pression, de livre par pouce carré à bar ................................. 295
15.11 Formules de conversion de température ...................................................... 296
15.12 Conversions de température ........................................................................ 296
15.13 Tableaux de densité API et densité Baumé et facteurs de poids .................... 299
15.14 Autres conversions utiles ............................................................................. 301
15.15 Préxes et sufxes métriques ....................................................................... 302
Index .................................................................................................. 304
13
Chapitre 1
Introduction aux vannes de régulation
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
1.1 Qu'est-ce qu'une vanne de régulation ?
Les usines de procédé modernes utilise un
vaste réseau de boucles de contrôle pour
fabriquer un produit nal à distribuer sur le
marché. Ces boucles de contrôle sont conçues
pour garder une variable du procédé (comme
la pression, le débit, la température, etc.) dans
une plage de fonctionnement donnée, an de
garantir la qualité du produit nal. Chacune de
ces boucles reçoit et crée des interférences
internes qui portent détriment aux variables
du procédé (PV). L'interaction d'autres boucles
du réseau provoque elle aussi des interférences
qui inuent sur la variable du procédé. Voir la
Figure 1,1.
Variable à
manipuler
Vanne de
régulation
Figure 1.1 Boucle de contrôle de rétroaction
Procédé
Contrôleur
Pour réduire l'effet de ces interférences de
charge, des capteurs et transmetteurs
récoltent des informations quant à la variable
de procédé (PV) et leurs relations avec un
autre point de consigne voulu. Un contrôleur
élabore ces informations et dénit la mesure
à adopter pour ramener la variable de
procédé à la valeur qu'elle devrait avoir après
l'apparition d'une interférence de charge.
Lorsque toutes les mesures, comparaisons et
calculs ont été effectués, certains types
d'éléments de contrôle nal doivent appliquer
la stratégie sélectionnée par le contrôleur.
L'élément de contrôle nal le plus commun
dans le secteur du contrôle de procédé est la
vanne de régulation. La vanne de régulation
gère un uide qui coule, comme le gaz, la
vapeur, l'eau ou des produits chimiques, an
de compenser les interférences de charge et
de maintenir la variable de procédé régulée à
une valeur la plus proche possible du point de
consigne voulu.
Variable
contrôlée
Capteur
Émetteur
La vanne de régulation est un élément
essentiel de la boucle de contrôle. Un grand
nombre de personnes parlent de vannes de
régulation pour désigner en réalité l'ensemble
de régulation. Généralement, l'ensemble de
régulation contient le corps de vanne,
l'équipement interne, un actionneur qui
alimente le mouvement qui permet d'utiliser
la vanne, et un ensemble d'accessoires de
vanne comme les transducteurs, les
régulateurs de pression d'alimentation, les
opérateurs manuels, les limiteurs ou les ns
de course.
Il existe deux types de vannes de régulation,
en fonction de l'action de l'obturateur :
celui-ci peut monter et descendre sur la tige
ou être rotatif. Les vannes à tige montante,
comme illustrées aux Figures 1.2 et 1.3,
utilisent un mouvement linéaire pour
déplacer un obturateur sur ou hors d'une
portée d'étanchéité. Les vannes à tige
montante, comme illustrées aux Figures 1.13
et 1.17, utilisent un mouvement linéaire pour
déplacer un obturateur sur ou hors d'une
portée d'étanchéité.
1.2 Terminologie liée aux vannes de régulation à tige montante
La terminologie suivante s'applique aux
caractéristiques physiques et fonctionnelles
des vannes de régulation à tige montante
équipées d'une membrane ou d'actionneurs à
piston. Certains termes, et en particulier ceux
qui font référence aux actionneurs, sont
également applicables aux vannes de
régulation rotatives. Bon nombre des
dénitions présentées sont conformes à la
Terminologie des vannes de régulation ANSI/
ISA-75.05.01, et elles comprennent
également d'autres termes communs. Pour
les termes plus complexes, une explication
supplémentaire est proposée. Les sections
supplémentaires de ce chapitre suivent cette
terminologie spécique pour les vannes de
régulation rotatives, le contrôle de procédé
général, ainsi que les fonctions et les
caractéristiques d'une vanne de régulation.
15
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Force de la tige de l'actionneur : force nette
d'un actionneur disponible pour l'actionnement réel du clapet de la vanne, en référence
à la course de la vanne.
Vanne d'équerre : conception d'une vanne
selon laquelle la voie d'entrée et la voie de
sortie sont perpendiculaires l'une à l'autre.
Voir aussi Robinet à soupape.
Figure 1.2 Vanne de régulation à tige montante
1. C h a p e a u
2. Boîte à garniture
3. Cage ou siège
Retenue de
bague
4. Tige de vanne
1
2
3
6
5. Clapet de vanne
6. Corps de vanne
7. Bague de siège
8. P a s s a g e
4
5
Figure 1.4 Vanne d'équerre
Chapeau à soufet : chapeau qui utilise un
soufet pour assurer l'étanchéité aux fuites
autour de la tige de l'obturateur. Voir la
Figure 1,5.
Chapeau : partie de la vanne qui contient la
boîte à garniture et le joint de la tige ; il
permet de guider la tige de vanne. Il constitue
la principale ouverture de la cavité du corps
7
8
pour l'assemblage des pièces internes, et peut
également faire partie intégrante du corps de
vanne. Il peut permettre de raccorder l'actionneur au corps de vanne. Les chapeaux sont
généralement vissés, leté, soudés, soudés
Figure 1.3 Vanne de régulation à tige montante
Ressort de l'actionneur : ressort ou groupe
de ressorts qui sont englobés dans l'arcade, le
boîtier de l'actionneur ou le cylindre du
piston, et qui ont pour fonction de déplacer la
tige d'actionneur dans le sens opposé à celui
qui est généré par la pression d'alimentation.
Tige de l'actionneur : pièce qui relie
l'actionneur à la tige de vanne et transmet le
mouvement (la force) de l'actionneur à la
vanne.
Rallonge de tige d'actionneur : rallonge de
la tige d'actionneur à piston qui permet de
transmettre le mouvement du piston au
sous pression ou ils peuvent faire partie
intégrante du corps. Ce terme est souvent
utilisé pour désigner le chapeau et les
garnitures dont il est équipé. Il serait plus
approprié de désigner ce groupe de pièces
comme l'ensemble chapeau.
Ensemble chapeau (communément appelé
Chapeau et plus précisément Ensemble
chapeau) : ensemble comprenant la pièce à
travers laquelle la tige de vanne se déplace et
qui assure également l'étanchéité aux fuites
le long de la tige. Il permet généralement
d'installer l'actionneur et de charger
l'ensemble de garnitures, tout en maintenant
le bon alignement du clapet sur le reste de
l'ensemble de régulation. Voir la Figure 1,6.
positionneur de vanne.
16
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
1. Chapeau
1
2
3
4
5
Figure 1.5 Chapeau à soufet
1
2
3
4
Figure 1.6 Ensemble chapeau
2. Garniture
3. Boîte à garniture
4. Soufet
5. Tige de vanne
1. Chapeau
2. Garniture
3. Boîte à garniture
4. Tige de vanne
Couvercle inférieur : pièce qui ferme le corps
de vanne en face de l'ouverture du chapeau.
Elle peut comprendre une rondelle de guidage
et/ou permettre d'inverser l'action de la vanne.
Fouloir : dispositif qui retient et/ou guide les
pièces mobiles telles que les tiges de vanne et
les clapets.
Cage : partie de l'équipement interne de la
vanne qui entoure l'obturateur et permet de
caractériser un débit et/ou la portée
d’étanchéité. Elle assure également la
stabilité, le guidage, l'équilibre, l'alignement,
et facilite l'assemblage d'autres pièces sur
l'équipement interne de la vanne. Les parois
de la cage comprennent des ouvertures qui
déterminent généralement les caractéristiques du débit de la vanne de régulation. Voir
la gure 1.7.
Obturateur : partie mobile de la vanne qui
est placée dans le débit an de le moduler à
travers la vanne.
Guide de l'obturateur : partie de l'obturateur
qui aligne son mouvement dans une cage,
une bague de siège (guidage par le passage),
un chapeau, un couvercle inférieur, une tige,
ou deux de ces éléments.
Cylindre : chambre d'un actionneur à piston
dans laquelle le piston se déplace.
Joint d'étanchéité du cylindre : élément
d'étanchéité posé au point de raccordement entre le cylindre de l'actionneur à
piston et l'arcade.
Membrane :
élément exible, réactif à la
pression, qui transmet de la force à la
plaque de membrane et à la tige d'action
-
neur.
Actionneur de membrane : dispositif
actionné par le uide dans lequel ce dernier
(généralement de l'air comprimé, voir
Pression d'alimentation) agit sur un
composant exible (la membrane), pour
produire une force qui permet d'actionner
l'obturateur.
Boîte à membrane : logement constitué
d'une section supérieure et d'une section
inférieure qui permet de retenir une
membrane et de former une ou deux
chambres de pression.
Figure 1.7 Cages (de gauche à droite) : linéaire, égal pourcentage, ouverture rapide
17
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Plaque de membrane : plaque rigide et
concentrique par rapport à la membrane
qui permet de transmettre une force à la
tige d'actionneur.
Actionneur à action directe : actionneur
dont la tige se rallonge en fonction de
l'augmentation de la pression d'alimenta
-
tion : Voir la Figure 1,9.
Extension de chapeau : chapeau dont les
dimensions entre la boîte à garniture et la
bride du chapeau sont plus importantes, de
façon à ce qu'il soit adapté au service chaud
ou froid.
Figure 1.8 Robinet à soupape à trois voies
1
3
Robinet à soupape : vanne équipée d'un
obturateur à mouvement linéaire, à un
passage ou plus, et d'un corps qui se
distingue par la forme sphérique de sa
cavité autour de la région du passage. Les
robinets à soupape peuvent plus précisément se distinguer en : deux passages une
voie (Figure 1.3) ; deux passages deux
voies ; d'équerre ou à trois passages
(Figure 1.8).
Pression d'alimentation : le uide (généralement de l'air comprimé) appliqué sur la
membrane ou le piston dans un actionneur
pneumatique.
Vanne désaxée : conception de vanne dont
les raccordements d'entrée et de sortie se
trouvent sur plusieurs plans, mais à 180
degrés l'un par rapport à l'autre.
2
4
5
6
7
8
10
Figure 1.9 Actionneur à action directe
18
1. Pression d'alimentation Connexion
2. Boîte à membrane :
3. Membrane
4. Plaque de membrane
5. Ressort de l'actionneur
6. Tige de l'ac tionneur
7. Siège du ressort
9
11
8. Tendeur de ressort
9. Connecteur de tige
10. T ige de vanne
11. Arcade
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Boîte à garniture (ensemble) : partie de
l'ensemble chapeau utilisée pour assurer
l'étanchéité aux fuites autour de la tige de
l'obturateur. L'ensemble complet de la boîte à
garniture comprend les différentes combinaisons de certains des composants suivants (ou
tous) : garniture, support de garniture, écrou
de garniture, lanterne, ressort de garniture,
bride de garniture, goujons et boulons de la
bride de garniture, écrous de la bride de
garniture, bague de garniture, joint racleur de
la garniture, feutre du joint racleur, ressorts
Belleville, bague anti-extrusion. Voir la
Figure 1,11.
Piston : élément rigide, réactif à la pression,
qui transmet la force à la tige d'actionneur à
piston.
1
2
3
4
6
Figure 1.10 Actionneur à piston
5
1. Pression
d’alimentation
Connexion
2. Piston
3. Joint de piston
7
4. Cylindre
5. Joint d'étanchéité du
cylindre :
6. Rondelle
d'étanchéité
7. Connecteur de tige
Actionneur à piston : dispositif actionné par
un uide (généralement de l'air comprimé)
qui agit sur un piston mobile an de donner le
mouvement de la tige d'actionneur et de
générer la force d'appui à la fermeture. Les
actionneurs à piston sont classés en deux
catégories : à double effet, an de permettre
à la totalité de la puissance de se développer
dans les deux sens, et à ressort de sécurité, ce
qui permet à l'actionneur de déplacer la
vanne dans le sens de la course en cas de
perte de puissance. Voir la gure 1.10.
Passage : l'orice qui permet de réguler le
débit à travers la vanne de régulation.
Bague de retenue : bague à encoche utilisée
pour maintenir une bride détachable sur le
corps de la vanne.
Actionneur à action inversée : actionneur
dont la tige se rallonge en fonction de
l'augmentation de la pression d'alimentation :
Les actionneurs à action inversés sont munis
d'une rondelle d'étanchéité à l'extrémité
supérieure de l'arcade, ce qui évite les fuites
de la pression d'alimentation le long de la tige
d'actionneur. Voir la Figure 1,12.
Gaine en caoutchouc : dispositif de
protection qui évite que des corps étrangers
ne pénètrent dans la rondelle d'étanchéité de
l'actionneur à piston et ne l'endommagent.
Rondelled'étanchéité : rondelles supérieure
et inférieure qui assurent l'étanchéité aux
fuites du cylindre de l'actionneur à piston. Des
joints toriques en caoutchouc synthétique
sont placés dans les rondelles an d'assurer
l'étanchéité du cylindre, de la tige d'actionneur
et de la rallonge de tige d'actionneur.
7
8
Figure 1.11 Garniture
1
2
3
4
5
6
3
4
5
9
Garniture en PTFE
1. Segment racleur
supérieur
2. Suppor t de garniture
3. Adaptateur femelle
4. Bague en V
5. Adaptateur mâle
6. Lanterne
7. Rondelle
8. Ressor t
9. Bague de
garniture/Segment
racleurinférieur
1
2
4
1
3
1
2
1
Garniture en graphite
1. Anneau en
lament
2. Anneau laminé
3. Lanterne
4. Rondelle en zinc
4
4
19
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Siège : surface de contact entre l'obturateur
et sa surface d'appui qui garantit l'étanchéité
de la vanne.
Effort sur le siège : force de contact nette
entre l'obturateur et le siège aux conditions
statiques établies. Dans la pratique, la
sélection d'un actionneur pour une vanne de
régulation donnée sera basée sur la valeur de
la force nécessaire à contrecarrer le déséquilibre statique de la tige et dynamique avec
une tolérance admise pour l'effort sur le siège
adéquat.
Bague de siège : partie de l'ensemble du
corps de vanne qui assure la portée d'étanchéité de l'obturateur et qui peut constituer
une partie de l'orice de contrôle du débit.
Bride séparable : bride à placer sur le
raccordement de débit d'un corps de vanne.
Elle est généralement maintenue en place à
l'aide d'une bague de retenue.
Tendeur de ressort : un raccord, généralement leté et vissé sur la tige d'actionneur ou
sur l'arcade, qui permet de réguler la
compression du ressort (voir le réglage sur
banc dans les Fonctions et caractéristiques de
la vanne de régulation et dans la Terminologie
des caractéristiques).
Siège du ressort : plaque qui permet de
garder le ressort en position et de fournir une
surface plane pour le contact avec le tendeur
de ressort.
Déséquilibre statique : force nette produite
sur la tige de vanne par la pression du uide
de procédé qui agit sur l'obturateur et la tige
lorsque le uide est au repos et aux conditions de pression indiquées.
Connecteur de tige : dispositif qui relie la
tige d'actionneur à la tige de vanne.
Équipement interne : les composants
internes de la vanne, qui modulent le débit du
uide contrôlé. Dans un robinet à soupape,
l'équipement interne comprend généralement l'obturateur, la bague de siège, la cage,
la tige et la goupille de tige.
Équipement interne à siège souple :
équipement interne de vanne où un
élastomère, du plastique ou tout autre
matériau hautement déformable est utilisé
pour le composant de fermeture ou la bague
de siège an d'assurer l'étanchéité complète
aux forces minimales de l'actionneur.
3
4
1
6
7
8
10
11
Figure 1.12 Actionneur à action directe
20
1. Pression d'alimentation Connexion
2. Boîte à membrane :
3. Membrane
2
4. Plaque de membrane
5
9
12
5. Rondelle d'étanchéité
6. Ressort de l'actionneur
7. Tige de l'ac tionneur
8. Siège du ressort
9. Tendeur de ressort
10. Connec teur de tige
11. T ige de vanne
12. Arcade :
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Corps de vanne : limite de pression principale
de la vanne, qui constitue également les
extrémités de raccordement des conduites, le
passage du débit de uide, sur laquelle
reposent les portées d'étanchéité et l'obturateur de la vanne. Les conceptions les plus
communes de corps de vanne comprennent :
les corps de vanne à une voie qui ont un
passage et un clapet de vanne, les corps de
vanne à deux voies qui ont deux passages et un
clapet de vanne, les corps de vanne à deux
voies avec deux raccords de débit (une entrée
et une sortie), les vannes à trois voies à trois
passages de débit (deux entrées et une sortie
pour la convergence et le mélange des débits,
ou une entrée et deux sorties, pour la
séparation et la répartition). Le terme « corps
de vanne », ou simplement « corps » est
souvent utilisé pour désigner le corps de la
vanne, l'ensemble chapeau et l'équipement
interne ensemble. Il serait plus approprié de
désigner cet ensemble de composants par le
terme « ensemble du corps de vanne ».
Ensemble du corps de vanne (communé-
ment Corps de vanne ou Vanne, plus précisément Ensemble du corps de vanne) : ensemble
constitué du corps de vanne, de l'ensemble
chapeau, du couvercle inférieur (s'il est
employé) et des éléments de l'équipement
interne. L'équipement interne comprend
l'obturateur, qui ouvre, ferme ou obstrue
partiellement un ou plusieurs passages.
Clapet de vanne (Clapet): terme souvent
utilisé pour désigner l'obturateur d'une vanne
à tige montante.
Tige de vanne : sur une vanne à mouvement
linéaire, élément qui raccorde la tige
d'actionneur à l'obturateur.
Arcade : structure qui relie de manière rigide
l'unité d'alimentation de l'actionneur à la
vanne.
1.3 Terminologie liée aux vannes de régulation rotatives
La terminologie suivante s'applique aux
caractéristiques physiques et fonctionnelles
des vannes de régulation à tige montante
équipées d'une membrane ou d'actionneurs à
piston. Dans les vannes rotatives, la fonction
des éléments de fermeture (comme les
boisseaux, les disques, les clapets excentrés,
etc.) est comparable à celle du clapet dans
une vanne de régulation à tige montante. En
d'autres termes, en tournant ils modient la
taille et la forme du débit en ouvrant plus ou
moins la zone d'étanchéité an d'y laisser
passer le uide. Bon nombre des dénitions
présentées sont conformes à la Terminologie
des vannes de régulation ISA S75.05, et elles
comprennent également d'autres termes
communs. Les termes qui font référence aux
actionneurs sont également adaptés aux
vannes de régulation rotatives. Pour les
termes plus complexes, une explication
supplémentaire est proposée. Les sections
supplémentaires de ce chapitre suivent cette
terminologie spécique pour le contrôle
général du débit, ainsi que pour les fonctions
et les caractéristiques d'une vanne de
régulation.
Figure 1.13 Vanne de régulation rotative
Levier d'actionneur : bras xé à l'arbre de la
vanne rotative an de convertir le mouvement linéaire de la tige d'actionneur en force
rotative (couple) et donc de mettre le disque
ou la bille d'une vanne rotative en place. Le
levier est normalement relié de manière
positive à l'élément rotatif par des cannelures
de tolérance fermées ou par d'autres moyens
qui permettent de minimiser le jeu et de
perdre le mouvement.
21
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Vanne à boisseau sphérique : l'obturateur
de fermeture du débit des vannes de
régulation rotatives comprend une bille
complète traversée par un passage de débit
cylindrique. Le passage du débit correspond
au diamètre du conduit.
Vanne à boisseau sphérique segmenté :
l'obturateur du débit des vannes de régulation rotatives comprend une bille partielle
traversée par un passage de débit.
Figure 1.14 Vanne à boisseau sphérique segmenté
Vanne à boisseau sphérique à encoche en
V : il s'agit du type le plus commun de vanne
de régulation à boisseau sphérique segmenté. La bille à encoche en V comprend une bille
partielle dont la surface est polie ou plaquée,
qui tourne contre le joint d'étanchéité à
travers la plage de la course. L'encoche en
forme de V pratiquée dans la bille assure une
grande marge de réglage théorique et
produit un débit à égal pourcentage.
Figure 1.15 Vanne à boisseau sphérique segmenté
Disque conventionnel : obturateur de
fermeture du débit symétrique utilisé dans les
modèles de vannes papillons rotatives les plus
communs. Les couples hautement dynamiques limitent normalement les disques
conventionnels à une rotation maximum de
60 degrés en conditions d'étranglement.
Disque à prol dynamique : disque d'une
vanne papillon conçu pour réduire le couple
dynamique par grands incréments de la
rotation, ce qui le rend adapté aux conditions
d'étranglement à une rotation du disque
allant jusqu'à 90 degrés.
Disque excentré : nom commun de la
conception de vanne selon laquelle le
positionnement excentré de l'arbre de vanne/
des raccords de disque porte le disque à
suivre une course légèrement décentrée lors
de l'ouverture. Cela permet au disque de ne
pas entrer en contact avec le joint lorsqu'il est
ouvert, ce qui réduit le frottement et donc
l'usure.
Figure 1.16 Vanne à disque excentré
Vanne sans bride : type de vanne commun
dans les vannes de régulation rotatives. Les
vannes sans bride sont maintenues entre des
brides de classe ANSI/ASME par de longs
boulons traversants.
Clapet excentré : type de vanne de
régulation rotative munie d'un clapet rotatif
excentré qui s'engage sur et hors du siège, ce
qui réduit la friction et l'usure. Ce type de
vanne est adapté aux applications où elles
sont soumises à l'érosion.
Débit inverse : débit côté arbre/moyeu à
l'arrière du disque, de la bille ou du clapet.
Certaines vannes de régulation rotatives
peuvent gérer de la même manière le débit
dans les deux sens. D'autres conceptions
rotatives pourraient nécessiter une modication de la liaison de l'actionneur pour pouvoir
gérer le débit inverse.
22
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Roulement d'embout de bielle : raccorde-
ment souvent utilisé entre la tige d'actionneur
et le levier d'actionneur pour faciliter la
conversion de la poussée linéaire de
l'actionneur en force rotative (couple) avec un
minimum de perte de mouvement.
L'utilisation d'un actionneur alternatif
standard sur un corps de vanne rotative
nécessite généralement une liaison avec un
roulement d'embout de bielle. Toutefois, la
sélection d'un actionneur spécialement conçu
pour le fonctionnement de la vanne rotative
ne requiert que l'un de ces roulements et
réduit donc la perte de mouvement.
Vanne de régulation rotative : type de
vanne dont l'obturateur de fermeture du
débit (bille complète, bille partielle, disque ou
clapet) pivote dans le débit an de contrôler
la capacité de la vanne. Voir la Figure 1,17.
Joint d’étanchéité : partie de l'ensemble de
régulation rotative qui correspond à la bague
de siège d'un robinet à soupape. Le positionnement du disque ou de la bille sur le joint
d'étanchéité détermine la zone du débit et la
capacité de l'unité à un incrément donné de la
course de la rotation.
Arbre : partie de l'ensemble de régulation
rotatif qui correspond à la bague de siège
d'un robinet à soupape. La rotation de l'arbre
positionne le disque ou la bille dans le débit et
contrôle le débit à travers la vanne.
Joint à glissement : joint du cylindre inférieur
d'un actionneur pneumatique à piston conçu
pour le fonctionnement de la vanne rotative.
Ce joint permet à la tige de l'actionneur de se
déplacer à la verticale et à l'horizontale sans
perte de pression d'alimentation du cylindre
inférieur, pour le roulement d'embout de
bielle.
Débit standard : pour les vannes de
régulation rotatives équipées de joint
d'étanchéité ou de bague de débit séparé(e),
il s'agit du sens du débit dans lequel le uide
entre dans le corps de la vanne à travers le
conduit adjacent au joint d'étanchéité et sort
sur le côté opposé au joint d'étanchéité.
Parfois appelé débit avant ou débit par l'avant
de l'obturateur. Voir aussi Débit inverse.
Montage à tourillon : type de montage du
disque ou de la bille sur l'arbre de vanne ou
sur l'arbre d'embout avec deux roulements
diamétralement opposés.
5
13
14
Figure 1.17 Vanne de régulation rotative
11
1
3
8
10
12
9
2
4
6
7
1. Pression d’alimentation
Connexion
2. Boîte à membrane
3. Membrane
4. Plaque de membrane
5. Ressor t
6. Tige de l'ac tionneur
7. Levier
8. A r b r e
9. Butée de course
10. Garniture
11. Disque
12. C o r p s
13. J o i n t
14. Bague de maintien
du joint
23
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
1.4 Terminologiedes fonctions et des caractéristiques des vannes de régulation
Réglage sur banc : procédure d'étalonnage
d'un ressort d'actionneur an qu'il puisse
utiliser la plage de pression nécessaire à faire
exécuter à la vanne sa course nominale
complète (voir Plage de pression inhérente de
la membrane).
Capacité : quantité de débit à travers une
vanne (C
Reux : débit inférieur au débit minimum
contrôlable qui s'écoule lorsque l'obturateur
n'est pas entièrement en place.
Plagede pression de la membrane :
différence entre les valeurs haute et basse de
la plage de pression d'alimentation de la
membrane.
Actionneur double effet : un actionneur
pour lequel la puissance pneumatique,
hydraulique ou électrique est fournie dans les
deux sens.
Déséquilibre dynamique : force nette
exercée sur un clapet de vanne à une position
ouverte indiquée, quelle qu'elle soit, par la
pression du uide de procédé qui agit sur lui.
Surface utile : dans un actionneur, la partie
de la surface de la membrane ou du piston
qui exerce une force sur la tige. la surface utile
d'une membrane peut changer selon sa
course ; elle atteint généralement son
maximum au début de la plage de course et
son minimum à la n de celle-ci. Les
diaphragmes moulés ont un changement de
surface utile moindre que les diaphragmes à
feuille plate, c'est pourquoi ils sont conseillés.
Fermé par manque d'énergie : état dans
lequel l'obturateur de la vanne se déplace vers
la position fermée en cas de coupure de la
source d'énergie d'actionnement.
Ouvert par manque d'énergie : état dans
lequel l'obturateur de la vanne se déplace vers
la position fermée en cas de coupure de la
source d'énergie d'actionnement.
or Kv), à des conditions données.
v
À sûreté intégrée : caractéristique de la
vanne et de son actionneur selon laquelle la
perte d'énergie d'actionnement provoque la
fermeture complète, l'ouverture complète ou
le maintien de l'obturateur à sa dernière
position (celle qui a été dénie comme
nécessaire pour protéger le procédé et
l'équipement) ; cette action peut engager les
commandes auxiliaires branchées à
l'actionneur.
Caractéristique de débit : rapport entre le
débit qui traverse la vanne et le pourcentage
de la course nominale lorsque ce dernier varie
de 0 à 100%. Ce terme doit toujours être
désigné comme la caractéristique de débit
inhérente ou la caractéristique du débit
installé (voir les dénitions de la section
Terminologie du contrôle du procédé).
Coefcient de débit (C
pertinente à la géométrie de la vanne pour
) : constante
v
une course donnée, qui peut être utilisée
pour établir la capacité du débit. Il s'agit du
nombre de gallons américains d'eau par minute à 16°C (60°F) qui s'écoule à travers une
vanne avec une baisse de pression d'une livre
carrée par pouce carré.
Vanne à récupération rapide : conception
de vanne qui dissipe relativement peu
d'énergie de vapeur du débit, grâce aux
prols internes simples et aux turbulences
minimales du débit. La pression en aval de la
Vena Contracta de la vanne revient donc à un
pourcentage élevé de sa valeur en entrée. Les
distributeurs à deux voies, comme les vannes
à boisseau sphérique rotatives, sont des
vannes à récupération rapide typiques.
Plage de pressioninhérente de la
membrane : Les valeurs de pression faibles et
élevées appliquées à la membrane an de
générer la course nominale du clapet de la
vanne avec la pression atmosphérique du
corps de vanne. Cette plage est souvent appelée Plage réglée sur banc, car il s'agit de la
plage sur laquelle la vanne courra lorsqu'elle
sera réglée sur l'établi.
Caractéristiques de débit inhérentes :
rapport entre le débit et la course de
l'obturateur lorsqu'elle se déplace de la
position fermée à la course nominale avec
une chute de pression constante à travers la
vanne.
24
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Plage de pressioninhérente de la
membrane : Les valeurs de pression faibles et
élevées appliquées à la membrane an de
générer la course nominale du clapet de la
vanne avec la pression atmosphérique du
corps de vanne. Sous l'effet des forces qui
agissent sur l'obturateur, la plage de pression
inhérente de la membrane peut être
différente de la plage de pression installée de
la membrane.
Caractéristiques du débit installé : rapport
entre le débit et la course de l'obturateur
lorsqu'elle se déplace de la position fermée à
la course nominale avec une chute de
pression constante à travers la vanne.
Vanne à faible récupération conception de
vanne qui dissipe une quantité considérable
d'énergie de vapeur du débit sous l'effet des
turbulences provoquées par les prols du
chemin du débit. Par conséquent, le
pourcentage de récupération de la pression
en aval de la Vena Contracta de la vanne est
inférieur à sa valeur en entrée par rapport au
cas d'une vanne dont le chemin du débit est
plus linéaire. Bien que les différentes
conceptions varient, les robinets à soupape
ont généralement une moindre capacité de
récupération de la basse pression.
Caractéristiques paraboliques du débit
modié : caractéristique de débit inhérente
qui fournit une caractéristique à égal
pourcentage lorsque la course de l'obturateur
est faible et une caractéristique quasiment
linéaire pour les portions supérieures de la
course de l'obturateur.
Vanne normalement fermée : voir Fermé
par manque d'énergie.
Vanne normalement ouverte : voir Ouvert
par manque d'énergie.
Conception PDTC (Push-Down-to-Close,
enfoncer pour fermer) : robinet à soupape
dont l'obturateur est situé entre l'actionneur
et la bague de siège, de façon à ce que la
rallonge de la tige d'actionneur agisse sur
l'obturateur en le poussant vers la bague de
siège jusqu'à fermer la vanne. Ce terme peut
également être appliqué aux vannes rotatives
dont la rallonge linéaire de la tige d'actionneur agit sur la bille ou le disque en la/le
poussant en position fermée. Également dite
À action directe.
Construction PDTO (Push-Down-to-Open,
enfoncer pour ouvrir) : robinet à soupape
dont l'obturateur est situé entre l'actionneur
et la bague de siège, de façon à ce que la
rallonge de la tige d'actionneur agisse sur
l'obturateur en le poussant vers la bague de
siège jusqu'à fermer la vanne. Ce terme peut
également être appliqué aux vannes rotatives
dont la rallonge linéaire de la tige d'actionneur agit sur la bille ou le disque en la/le
poussant en position ouverte. Également dite
À action inverse.
Marge de réglage théorique : le taux du
plus grand coefcient de débit (C
au plus petit coefcient de débit (Cv ou Kv)
ou Kv)
v
auquel l'écart avec la caractéristique du débit
spéciée ne dépasse pas les limites indiquées.
Une vanne de régulation qui effectue correctement sa fonction de régulation lorsque le
débit augmente à 100 fois le débit minimum
contrôlable a une marge de réglage théorique
de 100 à 1. La marge de réglage théorique
peut également être exprimée comme le
taux entre les débits maximum et minimum
contrôlables.
Coefcient de débit nominal (C
cient de débit (Cv) de la vanne à la course
) : Le coef-
v
nominale.
Course nominale : La distance du mouve-
ment de l'obturateur entre la position fermée
à la position entièrement ouverte nominale.
La position entièrement ouverte nominale est
l'ouverture maximum recommandée par les
fabricants.
Coefcient de débit relatif (C
coefcient de débit (Cv) pour une course
) : Le taux du
v
donnée par rapport au coefcient de débit
(Cv) pour la course nominale.
Fuite au siège : quantité de uide qui passe à
travers une vanne lorsque celle-ci est
entièrement fermée et que l'effort sur le siège
maximum disponible est appliqué, à une
pression différentielle et une température
spéciées.
Raideur du ressort (K
force par changement d'unité dans la
) : le changement de
s
longueur d'un ressort. Dans les actionneurs
de membrane, la raideur du ressort est
généralement indiquée en livres de force par
pouces de compression.
25
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Vena Contracta : partie d'un débit dans
laquelle la vitesse du uide est à son
maximum et la pression statique du uide
ainsi que la surface transversale sont au
minimum. Dans une vanne de régulation, la
Vena Contracta se trouve généralement juste
en aval de la restriction physique réelle.
1.5 Terminologie du contrôle du procédé
Les termes et dénitions ci-dessous, qui ne
sont pas mentionnés ci-dessus, sont souvent
rencontrés dans le domaine des vannes de
régulation, de l'instrumentation et des
accessoires. Certains termes, indiqués par un
astérisque (*), sont issus de la norme ISA,
Process Instrumentation Terminology
(Terminologie de l'instrumentation de
procédé), ISA 51.1. D'autres termes très
utilisés dans le domaine des vannes de
régulation sont également présentés.
Accessoire : dispositif monté sur un
ensemble de régulation an de compléter
ses différentes fonctions ou de produire les
actions souhaitées, en particulier pour l'actionnement. (ex. positionneurs, régulateurs
de pression d'alimentation, électrovannes,
interrupteurs de n de course, etc.).
Actionneur* : dispositif pneumatique,
hydraulique ou électrique qui alimente et
actionne une vanne ouverte ou fermée.
Ensemble actionneur : un actionneur et ses
accessoires qui constituent une unité
fonctionnelle complète.
ANSI : abréviation de American National
Standards Institute.
API : abréviation de American Petroleum
Institute.
ASME : abréviation de American Society of
Mechanical Engineers.
ASTM : désigne l'American Society for Testing
and Materials. Le domaine d'application de
cette organisation étant devenu international,
son nom a été transformé en ASTM International. ASTM n'est plus une abréviation.
Système de contrôle automatique* :
système de contrôle qui travaille sans
intervention humaine.
Jeu entre-dents : forme de bande morte
générée par une discontinuité temporaire
entre l'entrée et la sortie d'un dispositif
lorsque l'entrée du dispositif change de
direction. (par ex. un raccord mécanique
lâche ou desserré).
Diagramme de Bode* : graphique représentant les valeurs du taux d'amplitude et de
l'angle de phase sur une base de fréquence
pour la fonction de transfert. Il s'agit de la
forme la plus commune de représentation
graphique des données de réponse de la
fréquence.
Courbe d'étalonnage* : représentation
graphique du rapport d'étalonnage. Sortie
d'un dispositif en état de veille représentée
sous forme de fonction de l'entrée en état de
veille. La courbe est généralement représentée comme le pourcentage de l'étendue de
sortie par rapport au pourcentage de
l'étendue d'entrée.
Cycle d'étalonnage* : l'application de valeurs
connues de la variable mesurée et l'enregistrement des valeurs correspondantes des
données de sortie lues sur la plage de
l'instrument, dans le sens ascendant et
descendant. Une courbe d'étalonnage
obtenue en variant l'entrée d'un dispositif
dans le sens croissant et décroissant. Il est
généralement indiqué comme le pourcentage de l'étendue de la sortie et il fournit une
mesure de l'hystérésis.
Capacité*(vanne) : quantité de débit à
travers une vanne (C
données.
), à des conditions
v
Boucle fermée : l'interconnexion des
composants du contrôle de procédé de telle
façon que les informations pertinentes à la
variable de procédé est constamment
surveillée par un point de consigne du
contrôleur an d'appliquer des corrections
automatiques continues à la variable de
procédé.
Obturateur : élément de l'équipement
interne (également appelé clapet, disque,
vanne à boisseau sphérique segmenté ou
boisseau sphérique à passage plein) employé
pour moduler le débit dans une vanne de
régulation.
26
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Contrôleur : dispositif qui travaille automatiquement, en utilisant un algorithme donné,
an de réguler une variable contrôlée.
L'entrée du contrôleur reçoit les informations
concernant l'état de la variable de procédé et
génère un signal de sortie approprié à
l'élément de contrôle nal.
Boucle de contrôle : Voir Boucle fermée ou
Boucle ouverte.
Plage de contrôle : plage de la course de la
vanne sur laquelle une vanne de régulation
peut maintenir le gain installé de la vanne
entre les valeurs normalisées de 0,5 et 2,0.
Ensemble de régulation : dispositif utilisé
pour moduler le débit de uide en variant la
taille du passage du débit selon les indications
d'un signal transmis par un contrôleur.
Bande morte : phénomène général
applicable à tout dispositif où la plage à
travers laquelle un signal d'entrée peut être
modié, en inversant le sens, sans effectuer
de changement visible du signal de sortie.
Pour les vannes de régulation, la sortie du
contrôleur (CO) est l'entrée de l'ensemble de
la vanne et la variable de procédé (PV) est la
sortie, comme illustré à la Figure 1.18.
Lorsque l'on parle de bande morte, il est
essentiel que les variables d'entrée et de
sortie soient identiées, et que des essais
quantiables soient effectués à pleine charge.
La bande morte est généralement exprimée
en pourcentage de l'étendue d'entrée.
100%
Variable de procédé
100%
Sortie de contrôleur
Figure 1.18 Bande morte
Temps mort : intervalle de temps (Td)
pendant lequel aucune réponse du système
n'est relevée après une petite entrée
(généralement 0,25% - 5%). Cette durée est le
temps qui s'écoule entre le moment où
l'entrée est lancée et le moment ou la
première réponse détectable du système est
relevée. Le temps mort peut s'appliquer à
l'ensemble de vanne ou à l'ensemble du
procédé. Voir T63.
Enthalpie : quantité thermodynamique qui
correspond à la somme de l'énergie interne
d'un corps et du produit de son volume
multiplié par la pression : H = U + pV.
Également appelé Teneur en chaleur.
Entropie : mesure théorique de l'énergie qui
ne peut pas être transformée en action
mécanique dans un système thermodynamique.
Caractéristique à égal pourcentage* :
caractéristique de débit inhérente qui, pour
les incréments égaux de la course nominale,
fournira idéalement les changements à égal
pourcentage du coefcient de débit (C
partir de la valeur Cv existante.
) à
v
Signal de retour* : signal qui revient après la
mesure d'une variable contrôlée directement.
Pour une vanne de régulation équipée de
positionneur, le signal de retour constitue
généralement une indication de la position de
la tige de l'obturateur qui est ramenée vers le
positionneur.
FCI : abréviation de Fluid Controls Institute.
Fournit des normes et du matériel instructif
an d'aider les acheteurs et les utilisateurs à
comprendre et utiliser l'équipement de
régulation du uide et de conditionnement.
Élément de contrôle nal : dispositif qui met
en œuvre la stratégie de contrôle dénie par
la sortie d'un contrôleur. Si cet élément de
contrôle nal peut prendre différentes formes
(amortisseurs, interrupteurs marche/arrêt,
etc.), le plus commun dans le secteur est
aujourd'hui l'ensemble de régulation. Les
vannes de régulation modulent le débit du
uide (gaz, vapeur, eau, produits chimiques,
etc.) an de compenser les interférences de
charge et de maintenir la variable de procédé
régulée le plus proche possible du point de
consigne.
27
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Premier ordre : ce terme fait référence au
rapport dynamique entre l'entrée et la sortie
d'un dispositif. Les systèmes de premier ordre
ne contiennent qu'un dispositif de stockage
de l'énergie, et le rapport dynamique
transitoire entre l'entrée et la sortie est
caractérisé par un comportement exponentiel.
Caractéristique de réponse amplitude-fréquence* : rapport en fonction de la
fréquence de l'amplitude et de la phase entre
les entrées sinusoïdales à l'état de veille et les
sorties sinusoïdales fondamentales qui en
sont le résultat. L'amplitude de sortie et le
changement de phase sont observés comme
des fonctions de la fréquence d'essai en
entrée et utilisés pour décrire le comportement dynamique du dispositif de régulation.
Friction : force qui tend à s'opposer au
mouvement relatif entre deux surfaces en
contact. La force associée est une fonction de
la force normale qui maintient ces deux
surfaces l'une contre l'autre et la nature
caractéristique des deux surfaces. La friction
a deux composant s : la friction statique et la
friction dynamique. La friction statique
(également appelée clivage ou frottement
statique) est la force qui doit se produire
avant qu'un mouvement relatif n'apparaisse
entre les deux surfaces. La friction statique
est également l'une des principales causes de
l'apparition d'une bande morte dans un
ensemble de vanne. Lorsque le mouvement
relatif a commencé, la friction dynamique
(également appelée friction de glissement)
est la force qui doit se produire an de
maintenir le mouvement relatif.
Gain : terme employé pour décrire le rapport
entre la magnitude d'un changement de
sortie d'un système ou d'un dispositif donné
et la magnitude d'un changement d'entrée
qui a provoqué le changement de sortie. Le
gain est composé de deux éléments : le gain
statique et le gain dynamique. Le gains
statique (également appelé sensibilité) est la
relation de gain entre l'entrée et la sortie ; il
indique la facilité avec laquelle l'entrée peut
commencer un changement de sortie lorsque
le système ou le dispositif est en état de veille.
Le gain dynamique est le rapport de gain
entre l'entrée et la sortie lorsque le système
est en mouvement ou soumis à un ux. Le
gain dynamique est une fonction de la
fréquence ou du taux de changement
d'entrée.
Dureté : résistance à la déformation d'un
métal ou d'une matière plastique, généralement par indentation. La résistance des
matières plastiques et du caoutchouc à la
pénétration d'un pénétrateur dirigé sur sa
surface.
Oscillation* : oscillation indésirable d'une
magnitude appréciable qui se prolonge
lorsque le stimulus externe disparaît. Parfois
appelée oscillation limite, cette oscillation
indique que le fonctionnement a atteint la
limite de stabilité ou en est proche. Dans les
vannes de régulation, l'oscillation se
produirait sous forme d'oscillation de la
pression d'alimentation de l'actionneur,
générée par l'instabilité du positionneur de la
vanne.
Hystérésis* : différence maximum de la
valeur de sortie pour toute valeur d'entrée
durant le cycle d'étalonnage, sauf les erreurs
dues à la bande morte. Le retard d'un effet
lorsque les forces agissent sur un corps est
modié (comme en cas de viscosité ou de
friction interne).
100
Ouverture rapide
Linéaire
Égal pourcentage
Coefficient de débit nominal (%)
0
Ouverture nominale (%)
Figure 1.19 Caractéristiques inhérentes de la vanne
100
28
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Caractéristiques inhérentes* : rapport entre
le débit et la course de l'obturateur lorsqu'elle
se déplace de la position fermée à la course
nominale avec une chute de pression
constante à travers la vanne. Ces caractéristiques sont généralement représentées sur
une courbe où l'axe horizontal indique le
pourcentage de course et l'axe vertical indique
le pourcentage de débit (ou Cv). Le débit de la
vanne étant une fonction de la course de la
vanne et de la chute de pression à travers la
vanne, l'exécution d'essais du débit caractéristique à une chute de pression donnée fournit
une manière systématique de comparer
différents types de caractéristiques de vannes.
Les caractéristiques type d'une vanne établies
de cette manière sont dites linéaires, à égal
pourcentage et à ouverture rapide.
Gain inhérent de la vanne : le taux de magnitude du changement de débit à travers la
vanne en fonction du changement de course
de la vanne dans des conditions données et
avec une chute de pression constante. Le gain
inhérent de la vanne est une fonction propre
de la conception d'une vanne. Il est égal à la
pente de la courbe de caractéristique
inhérente à un point quelconque de la course
et il est fonction de la course de la vanne.
Caractéristique installée* : rapport entre le
débit et la course de l'obturateur lorsqu'elle se
déplace de la position fermée à la course
nominale avec une chute de pression
constante à travers la vanne.
Gain installé de la vanne : le taux de
magnitude du changement de débit à travers
la vanne en fonction du changement de
course de la vanne dans les conditions de
procédé actuelles. Le gain installé de la vanne
est le rapport qui se produit lorsque la vanne
est installée dans un système spécique et
que la chute de pression peut changer
naturellement en fonction des dictats de
l'ensemble du système. Le gain installé de la
vanne correspond à la pente de la courbe de
caractéristique installée et il est fonction de la
course de la vanne.
Pressionde l'instrument : pression de sortie
d'un contrôleur automatique qui est utilisée
pour actionner une vanne de régulation.
I/P : abréviation de current-to-pressure
(I-to-P), courant sur pression. Généralement
appliqué aux modules d'entrée du transducteur.
ISA : abréviation de International Society for
Automation.
Linéarité* : précision selon laquelle une
courbe représentant deux variables se
rapproche d'une ligne droite. La linéarité
indique également que cette même ligne
droite s'appliquera au niveau supérieur et au
niveau inférieur. Ainsi, la bande morte (telle
qu'elle est décrite ci-dessus) peut généralement être considérée comme une non-linéarité.
Caractéristique linéaire* : Caractéristique
de débit inhérente qui peut être représentée
par une ligne droite sur une représentation
rectangulaire d'un coefcient de débit (C
par rapport à une course nominale. Des
)
v
incréments égaux de la course fournissent
des incréments égaux du coefcient de débit
Cv.
Pression d'alimentation : pression employée
pour positionner un actionneur pneumatique.
Il s'agit de la pression exercée sur la
membrane ou le piston de l'actionneur, et ce
peut être la pression d'instrument si le
positionneur de vanne n'est pas utilisé.
Boucle : Voir Boucle fermée ou Boucle
ouver te.
Gain de boucle : l'association du gain de tous
les composants de la boucle pris en série
autour de la boucle. Parfois appelé Gain de
boucle ouverte. Il s'agit de préciser de
manière claire si l'on se réfère au gain de
boucle statique ou au gain de boucle
dynamique à une certaine fréquence.
Commande manuelle : voir Boucle ouverte.
NACE : indique la National Association of Cor-
rosion Engineers. Le domaine d'application de
cette organisation étant devenu international,
son nom a été transformé en NACE International. NACE n'est plus une abréviation.
Boucle ouverte : état dans lequel l'interconnexion des composants de contrôle du
procédé est interrompue et les informations
de la variable du procédé ne sont plus
retournées au point de consigne du
contrôleur ; les corrections de la variable de
procédé ne sont donc plus assurées. Cela se
produit généralement en plaçant le contrôleur en fonctionnement manuel.
29
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Fluide moteur : uide (en général de l'air ou
du gaz) employé pour alimenter le fonctionnement du positionneur de vanne ou du
contrôleur automatique.
Limites de fonctionnement* : la plage des
conditions de fonctionnement à laquelle un
dispositif peut être soumis sans que ses
caractéristiques de fonctionnement ne soient
entravées.
OSHA : abréviation de Occupational Safety
and Health Administration. (États-Unis)
Garniture : partie de l'ensemble de la vanne
utilisée pour assurer l'étanchéité aux fuites
autour du disque ou de la tige de la vanne.
Positionneur* : contrôleur de position
(servomécanisme) raccordé de manière
mécanique à une partie mobile d'un élément
de contrôle nal ou à son actionneur, et qui
ajuste automatiquement sa sortie vers
l'actionneur an de maintenir une position
voulue, proportionnelle au signal d'entrée.
Procédé : association de tous les éléments de
la boucle de contrôle, sauf le contrôleur. Le
terme indique parfois le uide qui passe à
travers la boucle.
Gain de procédé : taux de changement de la
variable du procédé contrôlé pour atteindre
le changement correspondant de la sortie du
contrôleur.
Variabilité du procédé : mesure statistique
précise indiquant combien un procédé est
contrôlé en fonction du point de consigne. La
variabilité du procédé est dénie en
pourcentage de la valeur type (2s/m), où m
est le point de consigne ou la valeur moyenne
de la variable de procédé mesurée et s est
l'écart standard de la variable de procédé.
Caractéristique d'ouverture rapide* : carac-
téristique de débit inhérente où le coefcient
maximum du débit est atteint avec une
course minimum de l'obturateur.
Plage : région entre les limites dans lesquelles
une quantité est mesurée, reçue ou
transmise, exprimée en indiquant les valeurs
minimum et maximum. Exemple : de 3 à
15 psi ; de -40 à 100°C (de -40 à 212°F).
Relais : dispositif qui agit comme un
amplicateur de puissance. Il utilise le signal
d'entrée électrique, pneumatique ou
mécanique et produit un grand volume de
débit d'air ou de uide hydraulique à
acheminer vers l'actionneur. Le relais peut
être un composant interne du positionneur
ou un accessoire de vanne séparé.
Répétabilité* : étroitesse de l’accord entre
les résultats de mesures successives de la
sortie pour la même valeur d’entrée, dans les
mêmes conditions de service, avec le même
sens d’approche, sur toute l’étendue de
mesure. Elle est généralement mesurée
comme une non-répétabilité et exprimée
comme la répétabilité en pourcentage de
l'étendue. Elle ne comprend par l'hystérésis.
Résolution : changement minimum possible
de l'entrée nécessaire pour produire un
changement détectable à la sortie lorsqu'aucun inversement de l'entrée ne se produit. La
résolution est généralement exprimée en
pourcentage de l'étendue d'entrée.
Temps de réponse : généralement mesuré
par un paramètre qui comprend le temps
mort et la constante de temps. (voir T63,
temps mort, constante de temps). Appliqué à
une vanne, il comprend l'ensemble de celle-ci.
Second ordre : ce terme fait référence au
rapport dynamique entre l'entrée et la sortie
d'un dispositif. Un système ou dispositif de
second ordre est équipé de deux dispositifs
de stockage de l'énergie qui peuvent
transmettre de l'énergie cinétique et
potentielle de l'un à l'autre, dans les deux
sens, ce qui lui permet d'avoir un comportement oscillatoire et de dépassement.
Sensibilité* : taux de changement de la
magnitude de sortie par rapport au changement d'entrée qui le provoque lorsque l'état
de veille est atteint.
Capteur : dispositif qui relève la valeur de la
variable de procédé et fournit un signal de
sortie correspondant à un transmetteur. Le
capteur peut faire partie intégrante du
transmetteur ou être un composant séparé.
Point de consigne : valeur de référence
représentant la valeur voulue de la variable de
procédé contrôlée.
30
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 1 : Introduction aux vannes de régulation
Torsion de l'arbre : phénomène selon lequel
une extrémité de l'arbre de la vanne tourne et
l'autre ne le fait pas. Cela se produit généralement dans les vannes rotatives, où l'actionneur est connecté à l'obturateur de la vanne
par un arbre relativement long. Tandis que la
friction du joint de vanne maintient l'arbre en
place, la rotation de l'arbre côté actionneur
est absorbée par la torsion de l'arbre jusqu'à
ce que l'entrée de l'actionneur transmette
sufsamment de force pour contrecarrer la
friction.
Signal* : variable physique, dont un ou
plusieurs paramètres contiennent des
informations concernant une autre variable
représentée par le signal.
Séquençage de l'amplitude de signal
(plage fractionnée)*: Action par laquelle
deux signaux ou plus sont générés, ou deux
éléments de contrôle nal ou plus sont
actionnés par un signal en entrée, chacun
répondant de manière consécutive, avec ou
sans chevauchement, à la magnitude de ce
signal d'entrée.
Dimensionnement (vanne) : procédure
systématique conçue pour assurer la capacité
correcte de la vanne pour chaque condition
d'un ensemble de conditions du procédé
établies.
Étendue* : différence algébrique entre les
valeurs supérieure et inférieure de la plage.
Exemple : si la plage = de 0 à 66°C (150°F),
l'étendue = 66°C (150°F) ; si la plage = de 3 à
15 psig, alors l'étendue = 12 psig.
Frottement statique : force requise pour
qu'un organe en contact avec un autre
commence à bouger. Voir aussi Friction.
Pression d’alimentation* : la pression au
passage d'alimentation d'un dispositif. Les
valeurs communes de la pression d'alimentation de la vanne de régulation sont de 20 psig
pour une plage de 3 à 15 psig et de 35 psig
pour une plage de 6 à 30 psig.
T63 : mesure de la réponse d'un dispositif.
Elle est mesurée en appliquant un petite
phase (généralement de 1-5%) en entrée du
système. T63 est mesuré à partir du moment
où la phase en entrée commence et jusqu'au
moment où la sortie du système atteint 63%
de la valeur nale en veille. Il s'agit du total
associé du temps mort du système (Td) et de
la constante de temps du système (t). Voir
temps mort, constante de temps.
Constante de temps : paramètre temporel
qui s'applique normalement à un élément de
premier ordre. Il s'agit de l'intervalle de temps
mesuré entre la première réponse détectable
du système et une petite phase en entrée
(généralement 0,25% - 5%), jusqu'à ce que la
sortie du système atteigne 63% de sa valeur
nale en veille. (voir T63). Lorsqu'elle est
appliquée à un procédé en boucle ouverte, la
constante de temps est généralement
indiquée « T » (Tau). Lorsqu'elle est appliquée
à un système en boucle fermée, la constante
de temps est généralement indiquée λ
(Lambda).
Transmetteur : dispositif qui relève la valeur
de la variable de procédé et transmet le signal
de sortie correspondant au contrôleur an de
la comparer au point de consigne
Course* : La distance du mouvement de
l'obturateur entre la position fermée à la
position entièrement ouverte nominale.
Indicateur de course : pointeur et échelle
utilisés pour montrer à l'extérieur la position
de l'obturateur, généralement en unités du
pourcentage d'ouverture de la course ou en
degrés de rotation.
Équipement interne* : les composants
internes de la vanne, qui modulent le débit du
uide contrôlé.
Vanne : Voir Ensemble de régulation.
Amplicateur de volume : un relais
autonome est souvent appelé « amplicateur
de volume », ou simplement « amplicateur »
car il amplie le volume d'air fourni à
l'actionneur. Voir Relais.
Erreur sur le zéro* : erreur d'un dispositif
travaillant dans des conditions d'utilisation
spéciées, lorsque l'entrée est à la valeur
minimale de la plage. Elle est généralement
exprimée en pourcentage de l'étendue
idéale.
31
Chapitre 2
Performances des vannes de régulation
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Dans l'environnement dynamique des
activités actuelles, les fabricants sont soumis
à de grandes pressions économiques. La
globalisation du marché génère une pression
intense quant à la réduction des frais de
production pour être compétitif, en utilisant
une main d'œuvre et des matières premières
moins chères issues des pays émergents. La
concurrence se manifeste entre les
entreprises internationales, demandant des
produits de très grande qualité et
l'optimisation du rendement des usines en
utilisant moins de ressources ; tout cela en
sachant répondre aux besoins changeants des
clients. Il s'agit de relever ces dés du
marketing tout en répondant pleinement aux
politiques publiques et réglementaires.
2.1 Variabilité des processus
Pour assurer un retour acceptable à leurs
actionnaires, les leaders mondiaux du secteur
savent qu'ils doivent réduire leurs frais en
matières premières et le gaspillage, mais aussi
augmenter leur productivité. Réduire la
variabilité des processus de fabrication en
appliquant une technologie de contrôle du
procédé est reconnu comme une méthode
efcace d'améliorer le retour nancier et de
répondre aux pressions globales en termes de
concurrence.
Le principal objectif d'une entreprise est de
générer un prot à travers la production d'un
produit de qualité. Un produit de qualité
répond à un certain nombre de spécications.
Tout écart par rapport aux spécications
établies génère une perte de prot à cause de
l'utilisation excessive de matériel, des frais de
réélaboration ou du gaspillage de produit.
L'amélioration du procédé a donc un impact
nancier important. Réduire la variabilité du
procédé en le contrôlant mieux permet de
l'optimiser et de fabriquer des produits
adéquats dès le début.
La non-uniformité liée à la matière première
et aux processus de production sont des
causes communes des variations qui inuent
sur la variable du procédé, la portant à ne pas
respecter le point de consigne. Un procédé
bien contrôlé, dont seules les causes
communes provoquent des variations, assure
généralement un distribution régulière.
Spécification de
limite inférieure
Figure 2.1 Variabilité du processus
Point de consigne
2-Sigma 2-Sigma
Point de consigne
Distribution P
Distribution P
V
V
Une bande de valeurs statistiquement
dérivée de cette distribution, appelée la
bande sigma +/-2, décrit l'étendue des écarts
de la variable de procédé par rapport au point
de consigne. Cette bande est la variabilité du
procédé Elle mesure la précision avec laquelle
le procédé est contrôlé. La variabilité du
procédé est une mesure précise de
l'adéquation du contrôle et elle est exprimée
en pourcentage du point de consigne.
Si un produit doit répondre à une certaine
limite inférieure de spécication, le point de
consigne doit être établi à une valeur de 2
sigma au-dessus de cette limite inférieure.
Cela garantit que tout le produit fabriqué à
des valeurs correspondant à la limite
inférieure répondront à la spécication de
qualité.
Toutefois, le problème est que l'argent et les
ressources sont gaspillés lorsque l'on fabrique
un pourcentage important de produit à un
niveau largement supérieur à celui qui est
demandé par la spécication (voir la
distribution supérieure à la Figure 2.1).
La solution la plus adaptée consiste à réduire
l'étendue de l'écart par rapport au point de
consigne, en utilisant une vanne de régulation
qui peut produire un sigma inférieur (voir la
distribution inférieure à la Figure 2.1).
33
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Figure 2.2 Boucle d'essai des performances
La réduction de la variabilité du procédé est
un élément clé pour atteindre les objectifs de
la production. La plupart des entreprises en
sont conscientes, et il n'est pas rare qu'elles
dépensent des centaines de milliers de dollars
en instrumentation leur permettant de
réduire la variabilité du procédé.
Malheureusement, l'effort de la vanne de
régulation est souvent surestimé, car l'on ne
réalise pas quel impact elle a sur les
performances dynamiques. Des études à
grande échelle sur les boucles de contrôle
montrent que 80% des boucles n'ont pas
fourni un travail adéquat de réduction de la
variabilité du procédé. De plus, il est apparu
que la vanne de régulation est le principal
élément du problème, et ce pour plusieurs
raisons.
Pour vérier les performances, les fabricants
doivent tester leurs produits dans des
conditions de procédé dynamique. Ces essais
sont généralement effectués dans un
laboratoire spécialisé en uides, en
appliquant un contrôle réel à boucle fermée
(Figure 2.2). Évaluer les ensembles de vannes
de régulation dans une boucle fermée fournit
34
la seule mesure réelle des performances de
variabilité. Les données des performances en
boucle fermée font état des grandes
réductions de la variabilité du procédé qui
peuvent être obtenues en choisissant la vanne
de régulation adaptée à l'application.
La capacité des vannes de régulation de
réduire la variabilité du processus dépend de
nombreux facteurs. Il s'agit de prendre en
compte plus d'un paramètre isolé. La
recherche effectuée dans le secteur a relevé
que la conception de l'élément de contrôle
nal, notamment la vanne, l'actionneur et le
positionneur, est très importante pour
obtenir un bon contrôle du procédé dans des
conditions dynamiques. Plus important
encore, l'ensemble de régulation doit être
optimisé ou développé comme un tout. Les
composants de la vanne qui ne sont pas
conçus comme un ensemble complet ne
fournissent généralement pas les meilleures
performances dynamiques. Parmi les facteurs
les plus importants à prendre en compte dans
la conception, notons :
Bande morte :
Vannes à boisseau sphérique segmenté 4” avec garnitures métalliques,
actionneurs de membrane et positionneurs standard
Vanne C
Signal d’entrée
Position de l'actionneur
Débit (filtré)
Temps (secondes)
0 50 100 150 200 250 300 350 400
40
45
50
55
60
65
%
40
45
50
55
60
65
%
40
45
50
55
60
65
%
Vanne A(FisherTMV150HD/1052(33)/3610J)
Vanne B
0,5%
5% 10%2% ÉTAPE1%
la conception de l'actionneur/du
positionneur
le temps de réponse de la vanne
le type de vanne et sa caractérisation
le dimensionnement de la vanne
Chacun de ces éléments de la conception sera
pris en considération dans ce chapitre, an de
dénir réellement ce qui constitue une
conception de vanne supérieure.
2.1.1 Bande morte
La bande morte contribue en large part au
dépassement de la variabilité du procédé. Les
ensembles de vannes de régulation peuvent
constituer une source primaire de bande
morte dans une boucle d'instrumentation,
car ils provoquent la friction, le jeu entredents, la torsion de l'arbre, la bande morte
dans le relais ou la manchette, etc. qui en sont
la cause.
La bande morte est un phénomène général
par lequel une plage ou un ensemble de
valeurs de sortie du contrôle (CO) ne
produisent aucun changement de la variable
de procédé mesurée (PV) lorsque le signal
d'entrée est inversé. Lorsqu'une interférence
de charge se produit, la variable de procédé
(PV) s'écarte du point de consigne. Cet écart
déclenche une action corrective de la part du
contrôleur, avant de rétablir le procédé.
Toutefois un changement initial de la sortie
du contrôleur peut ne produire aucune
modication corrective correspondante dans
la variable de procédé. Ce n'est que quand la
sortie du contrôleur a sufsamment changé
sous l'effet de la bande morte que le
changement correspondant se produit dans
la variable de procédé.
Lorsque la sortie du contrôleur inverse le
sens, le signal du contrôleur doit passer à
travers la bande morte avant que l'action
corrective ne se produise sur la variable de
procédé. La présence d'une bande morte
dans le procédé assure que l'écart de la
variable de procédé par rapport au point de
consigne devra augmenter jusqu'à être
sufsamment grand pour traverser la bande
morte. Ce n'est qu'à ce moment que l'action
corrective peut se produire.
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Figure 2.3 Effet de la bande morte sur les performances de la
vanne
2.1.1.1 Causes de la bande morte
La bande morte a de nombreuses causes,
mais la friction et le jeu entre-dents dans la
vanne de régulation, ainsi que la torsion de
l'arbre dans les vannes rotatives et la bande
morte du relais, sont les formes les plus
communes. La plupart des actions de
contrôle pour le contrôle réglementaire
consiste à appliquer de petites modications
(1% ou moins) ; une vanne de régulation dont
la bande morte est excessive pourrait même
ne pas répondre à nombre de ces petites
modications. Une vanne bien ingénierisée
devrait répondre aux signaux de 1% ou moins
an de fournir une réduction efcace de la
variabilité du procédé. Il n'est toutefois pas
rare que certaines vannes afchent une
bande morte de 5% ou plus. Un audit récent
sur le terrain a montré que 30% des vannes
présentent une bande morte de plus de 4%.
Plus de 65% des boucles examinées
présentaient des zones mortes de plus de 2%.
35
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
2.1.1.2 Effets de la bande morte
La Figure 2.3 illustre combien les effets
combinés de la bande morte peuvent être
graves. Ce schéma illustre un essai sur boucle
ouverte de trois vannes de régulation
différentes à des conditions de procédé
normales. Les vannes sont soumises à une
série d'entrées de phase de 0,5% à 10%. Les
essais de phase dans les conditions de débit
sont essentiels car ils permettent d'évaluer les
performances de l'ensemble complet de la
vanne et non pas uniquement de l'ensemble
de l'actionneur de la vanne comme cela serait
le cas dans la plupart des conditions d'essai en
atelier.
2.1.1.3 Essais de performances
Certains essais de performances sur
l'ensemble de la vanne comparent
uniquement la course de la tige d'actionneur
en fonction du signal d'entrée. Le résultat
n'est pas able, car il ignore les performances
de la vanne elle-même.
Il est essentiel de mesurer les performances
dynamiques de la vanne dans les conditions
du débit, an que la modication de la
variable de procédé puisse être comparée à la
modication du signal d'entrée de l'ensemble
de la vanne. Cela importe peu si seule la tige
de vanne change en réponse à une
modication de l'entrée de la vanne, car s'il
n'existe aucune modication correspondante
dans la variable contrôlée, aucune correction
ne sera apportée à la variable de procédé.
Dans les trois essais de vanne (Figure 2.3), le
mouvement de la tige d'actionneur change
de manière relativement able en réponse
aux modications du signal d'entrée. D'autre
part, la différence est énorme dans la capacité
de chaque vanne de modier le débit en
réponse à une modication du signal
d'entrée.
Pour la vanne A, la variable de procédé (débit)
répond bien aux signaux d'entrée dès 0,5. La
vanne B nécessite en revanche des
changements de signal de 5% avant de
commencer à répondre de manière able à
chacune des phases du signal d'entrée. La
vanne C est pire encore, car elle nécessite des
changements de signal de 10% avant de
commencer à répondre de manière able à
chacune des phases du signal d'entrée. La
capacité des vannes B ou C d'améliorer la
variabilité du procédé est très faible.
2.1.1.4 Friction
La friction est une cause majeure de bande
morte dans les vannes de régulation. Les
vannes rotatives sont souvent très
susceptibles à la friction provoquée par les
charges élevées sur le siège qui sont
nécessaires pour obtenir l'arrêt avec certains
types de joints. La friction du joint étant
importante et la rigidité du train
d'entraînement étant faible, l'arbre de vanne
se tord et ne transmet pas le mouvement à
l'élément de contrôle. Il en résulte qu'une
vanne rotative qui n'est pas correctement
conçue peut présenter une bande morte
considérable suite à la variabilité du procédé.
Les fabricants lubrient généralement les
sièges de la vanne rotative durant la
fabrication, mais cette lubrication disparaît
après quelques centaines de cycles
seulement. De plus, les charges provoquées
par la pression usent le joint. Il en résulte que
la friction de la vanne peut augmenter de
400%, voire plus, suivant la conception de la
vanne. Cela illustre les conclusions erronées
qui peuvent être tirées en termes de
performances lors de l'évaluation de produits
à partir de données d'atelier avant d'avoir
stabilisé le couple. Les vannes B et C
(Figure 2.3) montrent les effets
catastrophiques que ces facteurs élevés de
friction de l'accouplement peuvent avoir sur
les performances de la vanne.
La friction de la garniture est la première
cause de friction dans les vannes à tige
montante. Dans ce type de vannes, la friction
mesurée peut considérablement varier selon
le type de vanne et la disposition de la
garniture.
Le type d'actionneur a lui aussi un impact
important sur la friction de l'ensemble de
régulation. En général, les actionneurs à
ressort et membrane génèrent moins de
friction sur l'ensemble de régulation que les
actionneurs à piston. Les actionneurs à
ressort et membrane ont également
l'avantage que leurs caractéristiques de
friction sont plus uniformes avec le temps. La
friction des actionneurs à piston augmentera
probablement de manière signicative avec
l'utilisation de surfaces de guidage, l'usure
des joints toriques, le manque de lubrication
et la dégradation de l'élastomère. Ainsi, pour
assurer la continuité des bonnes
performances, la maintenance doit être
36
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
effectuée plus souvent pour les actionneurs à
piston que pour les actionneurs à ressort et
membrane. Si cette maintenance n'est pas
effectuée, la variabilité du procédé peut en
être largement inuencée, sans que
l'opérateur ne s'en rende compte.
Le jeu entre-dents provoque une
discontinuité du mouvement lorsque le
dispositif change de direction. Le jeu
entre-dents se produit généralement dans les
entraînements par engrenages de différentes
congurations. Les actionneurs à rack et
pignon sont particulièrement sujets à la
bande morte due au jeu entre-dents. Certains
raccordements de l'arbre de la vanne
présentent eux aussi les effets de la bande
morte. Les raccordements en cannelure ont
généralement une bande morte largement
inférieure à celle des arbres à clé ou des
conceptions en double D.
Si la friction peut être considérablement
réduite par une bonne conception de la
vanne, ce phénomène est difcile à éliminer
entièrement. Une vanne de régulation bien
conçue devrait être en mesure d'éliminer
virtuellement la bande morte due au jeu
entre-dents et à la torsion de l'arbre.
Pour de meilleures performances de la
variabilité du procédé, la bande morte totale
de l'ensemble complet de la vanne devrait
être de 1% ou moins. Idéalement, elle devrait
être de 0,25%. seulement
2.1.2 Conception de l'actionneur et du positionneur
La conception de l'actionneur et celle du
positionneur doivent être considérées en
tenant compte l'une de l'autre. L'association
de ces deux éléments de l'équipement affecte
largement les performances statiques (bande
morte), ainsi que la réponse dynamique de
l'ensemble de régulation et la conception
générale de l'instrumentation de la vanne.
Actuellement, les positionneurs sont utilisés
pour la plupart des applications des vannes
de régulation. Les positionneurs assurent une
réponse précise de l'ensemble de la vanne,
ainsi qu'un diagnostic en ligne lorsqu'ils sont
utilisés sur un système de commande
numérique traditionnel. À mesure que les
performances économiques du contrôle du
procédé gagnent de l'importance, les
positionneurs devraient être pris en
considération pour toutes les applications de
vannes où l'optimisation du procédé est
importante.
Un positionneur peut être considéré comme
un dispositif assurant un gain proportionnel
élevé. Lorsqu'il est associé à un actionneur ou
une vanne, l'ensemble se comportera
idéalement comme un système de premier
ordre ou un système de second ordre non
amorti, selon l'utilisation et les performances
attendues. Un contrôleur de vanne
numérique dispose d'autres paramètres de
réglage, comme le gain dérivé, qui est
largement utilisé pour supprimer les
caractéristiques indésirables et régler plus
précisément encore l'ensemble aux
performances voulues. De nombreux
positionneurs comprennent également la
capacité intégrale d'éliminer les écarts entre
le point de consigne et la position. Dans la
plupart des situations de contrôle de
procédé, cette fonction peut être désactivée
an d'éviter la survenue d'oscillations dans les
procédés lents, puisque l'écart entre la
position de la vanne et le point de consigne
est généralement géré par le contrôleur de
procédé.
Lorsque le positionneur relève une
modication du point de consigne, il doit être
en mesure de fournir un volume important
d'air à l'actionneur, faisant ainsi de sorte que
l'ensemble se déplace de manière rapide et
contrôlée. Cette capacité est due au
positionneur à gain élevé, et elle dépend du
booster pneumatique intégré situé dans le
positionneur. Ce booster pneumatique est
généralement composé d'un relais et d'un
distributeur à tiroir.
Les positionneurs à deux étages hautes
performances utilisent généralement des
relais pneumatiques. Les relais sont plus
utilisés car ils peuvent assurer un gain élevé
qui fournit des performances dynamiques
avec une faible consommation d'air à l'état de
veille. De plus, ils sont moins sujets à la
contamination du uide. Certains grands
actionneurs à grande friction peuvent
également utiliser des boosters externes
supplémentaires an de répondre à certaines
spécications, comme la vitesse de la course.
37
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
La conception du positionneur s'améliore
continuellement, en réduisant la
consommation d'air et en améliorant les
capacités de diagnostic accessibles aux
utilisateurs. De plus, des fonctions ont été
ajoutées an de répondre aux exigences
grandissantes du secteur en termes de
sécurité, comme les systèmes instrumentés
de sécurité (SIS) et les vannes numériques
optimisées.
2.1.3 Temps de réponse de la vanne
Pour optimiser le contrôle de nombreux
procédés, il est important que la vanne
atteigne rapidement une position donnée.
Une réponse rapide à de petites modications
du signal (1% ou moins) est l'un des facteurs
les plus importants pour assurer un contrôle
de procédé optimal. Dans le contrôle de
régulation automatique, les changements
bruts du signal transmis par le contrôleur sont
prévus pour les petits changements de
position. Si un ensemble de régulation peut
répondre rapidement à ces petits
changements, la variabilité du procédé est
meilleure.
Le temps de réponse de la vanne est mesuré
par un paramètre appelé T63. T63 est le
temps mesuré entre le début du changement
de signal en entrée et le moment où la sortie
atteint 63% du changement correspondant. Il
comprend le temps mort de l'ensemble de la
vanne, qui est une durée statique, et le temps
dynamique de l'ensemble de la vanne. Le
temps dynamique est la valeur mesurée de
temps que met l'actionneur à atteindre 63% à
partir du moment où il commence à bouger.
2.1.3.1 Temps mort
Qu'elle soit provoquée par la friction dans le
corps de vanne et l'actionneur ou dans le
positionneur, la bande morte peut largement
inuer sur le temps mort de l'ensemble de la
vanne. Il est important de maintenir le temps
mort le plus faible possible, car il peut
constituer un facteur de limitation de la
stabilité du procédé. En général, le temps
mort ne devrait pas dépasser un tiers du
temps de réponse général de la vanne.
Toutefois, le rapport relatif entre le temps
mort et la constante de temps du procédé est
un élément critique. Si l'ensemble de la vanne
se trouve dans une boucle rapide où la
constante de temps du procédé est proche
du temps mort, celui-ci peut avoir une
inuence remarquable sur les performances
de la boucle. Dans ces boucles rapide, il est
crucial de sélectionner l'équipement de
contrôle dont le temps mort est le plus limité
possible.
De même, du point de vue du réglage de la
boucle, il est important que le temps mort
soit relativement cohérent dans les deux sens
de course de la vanne. Certaines conceptions
de l'ensemble de la vanne peuvent avoir un
temps mort de trois à cinq fois supérieur dans
un sens de course par rapport à l'autre. Ce
type de comportement est généralement
provoqué par le comportement asymétrique
de la conception du positionneur, et il peut
limiter en grande mesure la capacité de régler
la boucle et d'obtenir de meilleures
performances générales.
2.1.3.2 Temps dynamique
Au terme du temps mort, lorsque la vanne
commence à répondre, le temps de réponse
restant de la vanne est donné par le temps
dynamique de l'ensemble de la vanne. Ce
temps dynamique sera avant tout déterminé
par les caractéristiques dynamiques de la
combinaison positionneur/actionneur. Ces
deux composants doivent être associés avec
attention pour minimiser le temps de réponse
total de la vanne. Dans un ensemble de vanne
pneumatique par exemple, le positionneur
doit avoir un gain pour minimiser le temps
dynamique de l'ensemble de la vanne. Le gain
est principalement issu de la phase
d'amplication de puissance du positionneur.
En d'autres termes, plus le relais du
positionneur ou le distributeur à tiroir peut
fournir rapidement un grand volume d'air à
l'actionneur, plus le temps de réponse de la
vanne sera court. Toutefois, cet amplicateur
de puissance à gain élevé n'aura qu'un effet
limité sur le temps mort, sauf si une bande
morte est intentionnellement conçue pour
limiter la consommation d'air statique. La
conception de l'actionneur inue
évidemment en large mesure sur le temps
dynamique. Exemple : plus le volume de la
chambre d'air de l'actionneur à remplir est
important, plus le temps de réponse de la
vanne est lent.
38
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Tem ps de réponse de la vanne
Taille de la phase T(d) secondes T63 secondes
SPÉC. ENTECH TAILLE DE LA VANNE 4” % s0.2 s0.6
Vanne A (Fisher V150HD/1052(33)/3610J)
Action de la vanne : Ouverture 2 0,25 0,34
Action de la vanne : Fermeture -2 0,50 0,74
Action de la vanne : Ouverture 5 0,16 0,26
Action de la vanne : Fermeture -5 0,22 0,42
Action de la vanne : Ouverture 10 0,19 0,33
Action de la vanne : Fermeture -10 0,23 0,46
Vanne B
Action de la vanne : Ouverture 2 5,61 7,74
Action de la vanne : Fermeture -2 0,46 1,67
Action de la vanne : Ouverture 5 1,14 2,31
Action de la vanne : Fermeture -5 1,04 2
Action de la vanne : Ouverture 10 0,42 1,14
Action de la vanne : Fermeture -10 0,41 1,14
Vanne C
Action de la vanne : Ouverture 2 4,4 5,49
Action de la vanne : Fermeture -2 NR NR
Action de la vanne : Ouverture 5 5,58 7,06
Action de la vanne : Fermeture -5 2,16 3,9
Action de la vanne : Ouverture 10 0,69 1,63
Action de la vanne : Fermeture -10 0,53 1,25
NR = No Response (pas de réponse)
Figure 2.4 Récapitulatif du temps de réponse de la vanne
2.3.1.3 Solutions
Au premier abord, on pourrait penser que la
solution serait de minimiser le volume de
l'actionneur et de maximiser le gain de
puissance dynamique du positionneur, mais
c'est un peu plus compliqué. Cette
combinaison de facteurs peut être
dangereuse du point de vue de la stabilité. Si
l'on reconnaît que la combinaison
positionneur/actionneur est sa propre boucle
de suivi, il est possible que le gain de la boucle
positionneur/actionneur soit trop élevé pour
utiliser la conception de l'actionneur, ce qui
provoque une oscillation instable de
l'ensemble de la vanne. De plus, réduire le
volume de l'actionneur a un effet indésirable
sur le rapport poussée/friction, qui augmente
la bande morte de l'ensemble de la vanne et
donc le temps mort.
Si le rapport total poussée/friction n'est pas
adapté à une application donnée, une option
consiste à augmenter la capacité de poussée
de l'actionneur en utilisant un actionneur de
la taille suivante ou en augmentant la
pression de l'actionneur. Ce rapport poussée/
friction plus important réduit la bande morte,
39
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
ce qui devrait contribuer à réduire le temps
mort de l'ensemble. Toutefois, ces deux
alternatives entendent qu'un plus grand
volume d'air est nécessaire à l'actionneur. La
compensation est un effet possible qui
porterait préjudice au temps de réponse de la
vanne en augmentant le temps dynamique.
L'une des manières de réduire le volume de la
chambre d'air de l'actionneur consiste à
utiliser un actionneur à piston et non pas un
actionneur à ressort et membrane, mais ce
n'est pas la meilleure solution. Les
actionneurs à piston disposent généralement
d'une meilleure capacité de poussée que les
actionneurs à ressort et membrane, mais ils
ont également une plus grande friction, ce
qui peut contribuer à provoquer des
problèmes de temps de réponse de la vanne.
Pour obtenir la poussée voulue avec un
actionneur à piston, il faut généralement
utiliser une pression d'air plus importante que
celle d'un actionneur à membrane, car la
surface du piston est moindre. Cela entend
qu'un plus grand volume d'air est nécessaire,
avec les effets négatifs que cela entend pour
le temps dynamique. De plus, les actionneurs
à piston, avec leur plus grand nombre de
surfaces de guidage, tendent à avoir une plus
grande friction au vu des difcultés
d'alignement qui les caractérisent, ainsi que
de la friction exercée par le joint torique. Ces
problèmes de friction tendent à augmenter
avec le temps. Quelle que soit la qualité
initiale des joints toriques, ces matières
élastomères se dégraderont avec le temps
sous l'effet de l'usure et d'autres conditions
environnementales. De la même façon,
l'usure des surfaces de guidage augmentera
la friction et l'appauvrissement de la
lubrication. Ces problèmes de friction
provoquent une plus grande bande morte de
l'actionneur à piston, ce qui augmentera le
temps de réponse de la vanne à travers le
temps mort prolongé.
2.3.1.4 Pression d'alimentation
La pression d'alimentation de l'instrument
peut elle aussi avoir un impact signicatif sur
les performances dynamiques de l'ensemble
de la vanne. Elle peut par exemple inuer de
manière importante sur le gain du
positionneur, mais aussi sur la consommation
générale d'air.
Les positionneurs à gain xe ont
généralement été optimisés pour une
pression d'alimentation donnée. Toutefois, ce
gain peut varier sous l'effet d'un facteur de un
ou deux sur une petite gamme de pressions
d'alimentation. Un positionneur qui a par
exemple été optimisé pour une pression
d'alimentation de 20 psig pourrait voir son
gain réduit de moitié lorsque la pression
d'alimentation passe à 35 psig
La pression d'alimentation inue également
sur le volume d'air fourni à l'actionneur, ce qui
détermine la vitesse. Elle est également
directement liée à la consommation d'air. Là
encore, les distributeurs à tiroir à gain élevé
peuvent consommer jusqu'à cinq fois la
quantité d'air nécessaire à des positionneurs à
deux étages bien plus efcaces, qui utilisent
des relais pour la phase d'amplication de
puissance.
2.3.1.5 Minimisation du temps mort
Pour minimiser le temps mort de l'ensemble
de la vanne, minimiser la bande morte de
l'ensemble de la vanne, qu'elle soit due à la
friction du joint de la vanne, à la friction de
la garniture, à la torsion de l'arbre, à la
conception de l'actionneur ou à celle du
positionneur. La friction est une cause
majeure de bande morte dans les vannes de
régulation. Sur les vannes rotatives, la
torsion de l'arbre peut également largement
contribuer à la bande morte. Le type
d'actionneur a lui aussi un impact important
sur la friction de l'ensemble de régulation.
En général, les actionneurs à ressort et
membrane génèrent moins de friction sur
l'ensemble de régulation que les
actionneurs à piston. Comme indiqué, cela
est dû à l'augmentation de la friction du
joint torique du piston, à des problèmes
d'alignement erroné et à une lubrication
erronée.
La conception d'un positionneur à gain élevé
peut provoquer une différence importante de
la réduction de la bande morte. Cela peut
également apporter une amélioration
signicative de la résolution de l'ensemble de
la vanne. Les ensembles de vanne dont la
bande morte et la résolution sont de 1% ou
moins ne sont plus adaptés à de nombreux
besoins de réduction de la variabilité du
procédé. Nombre de procédés exigent que
l'ensemble de la vanne ait une bande morte
et une résolution de 0,25%, en particulier
40
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
lorsque l'ensemble de la vanne est installé sur
une boucle de procédé rapide.
2.3.1.6 Temps de réponse de la vanne
L'un des éléments étonnants dans un grand
nombre d'études effectuées dans le secteur
sur le temps de réponse de la vanne a été le
changement de point de vue quant aux
actionneurs à ressort et membrane par
rapport aux actionneurs à piston. Dans le
domaine du procédé, on a longtemps pensé,
à tort, que les actionneurs à piston sont plus
rapides que les actionneurs à ressort et
membrane. La recherche a montré que ce
n'est pas vrai pour les petites modications
du signal.
Cette conviction erronée était due à de
nombreuses années d'expérience dans les
essais visant à examiner le temps de course
des vannes. Un essai de temps de course est
normalement réalisé en soumettant
l'ensemble de la vanne à un changement de
phase de 100% du signal d'entrée et en
mesurant le temps nécessaire à l'ensemble de
la vanne pour terminer sa course compète
dans les deux sens.
Bien que les vannes actionnées par un piston
ne présentent généralement pas un temps de
course plus rapide que la plupart des vannes
actionnées par ressort et membrane, ce test
n'indique pas les performances de la vanne
dans une situation de contrôle de procédé
représentative où, dans les applications de
contrôle du procédé normales, il est rarement
demandé à la vanne de parcourir la totalité de
sa plage de fonctionnement. En général, la
vanne ne doit répondre que dans une plage
de 0,25% à 2% de la position de la vanne.
L'essai massif des vannes a montré que les
ensembles de vannes à ressort et membrane
sont largement plus performants que les
vannes actionnées par un piston lorsqu'il
s'agit de petits changements du signal, ce qui
est plus représentatif des applications de
contrôle de régulation du procédé. Une
friction supérieure sur l'actionneur à piston
est l'un des facteurs qui portent à les rendre
moins réactives aux petits signaux que les
actionneurs à ressort et membrane.
Il n'est pas facile de sélectionner la vanne,
l'actionneur et le positionneur adéquats. Il ne
s'agit pas simplement de trouver une
combinaison qui soit physiquement
compatible. Un bon jugement en termes
d'ingénierie doit prendre en considération
l'aspect pratique du dimensionnement et de
la sélection de l'ensemble de la vanne pour
obtenir les meilleures performances
dynamiques de la boucle.
La Figure 2.4 illustre les différences
importantes du temps mort et du temps de
réponse T63 général provoquées par les
différences de la conception de l'ensemble de
la vanne.
2.1.4 Type de vanne et caractérisation
Le type de vanne utilisée et son
dimensionnement peuvent avoir un impact
important sur les performances de l'ensemble
de régulation du système. Si le
dimensionnement de la vanne doit sufre à
faire passer le débit dans toutes les situations
possibles, une vanne qui est trop grande pour
l'application porte préjudice à l'optimisation
du procédé.
La capacité de débit de la vanne est
également liée au type de vanne, c'est
pourquoi il s'agit de connaître ses
caractéristiques inhérentes. Les
caractéristiques inhérentes sont la relation
entre la capacité de débit de la vanne et la
course de la vanne lorsque la baisse de
pression différentielle de la vanne est
constante.
Ces caractéristiques sont généralement
représentées sur une courbe où l'axe
horizontal indique le pourcentage de course
et l'axe vertical indique le pourcentage de
débit (ou C
de la course de la vanne et de la chute de
pression dans la vanne, il est d'usage
d'effectuer des essais des caractéristiques
inhérentes à la vanne à une chute de pression
constante. Dans la pratique, cette situation
n'est pas normale, mais elle fournit une
manière dynamique de comparer les
caractéristiques de deux vannes.
). Le débit de la vanne dépendant
v
41
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Dans des conditions spéciques de chute de
pression constante, le débit de la vanne ne
devient qu'une fonction de la course de la
vanne et la conception inhérente de
l'équipement interne de la vanne. Ces
caractéristiques sont appelées
caractéristiques de débit inhérentes de la
vanne. Les caractéristiques type d'une vanne
établies de cette manière sont dites linéaires,
à égal pourcentage et à ouverture rapide.
Le taux de changement incrémentiel du débit
de la vanne (sortie) par rapport à l'incrément
correspondant de la course de la vanne
(entrée) qui a provoqué le changement de
débit est appelé le gain de la vanne.
Gain inhérent de la vanne = (Modication du
débit)/(Changement de course) = Pente de la
courbe de caractéristique inhérente
La caractéristique linéaire présente un gain
inhérent de la vanne constant sur toute sa
plage, et la caractéristique d'ouverture rapide
présente un gain inhérent de la vanne
supérieur à l'extrémité inférieure de la plage
de course. Le gain inhérent de la vanne
supérieur pour une vanne à égal pourcentage
est à l'ouverture maximum de la vanne.
La caractéristique inhérente est une fonction
inhérente de la géométrie de passage du
débit et elle ne change pas tant que la chute
de pression reste constante. De nombreuses
conceptions de vanne, en particulier les
vannes à boisseau sphérique rotatives, les
vannes papillon et les vannes à clapet
excentré, présentent des caractéristiques
inhérentes qui ne peuvent pas être facilement
modiées. Toutefois, la plupart des robinets à
soupape sont munis d'une sélection de cages
de vanne ou de bouchons qui peuvent être
interchangés an de modier la
caractéristique de débit inhérente.
Il est utile de connaître la caractéristique
inhérente de la vanne, mais la caractéristique
la plus importante pour l'optimisation du
procédé est la caractéristique du débit
installé de l'ensemble du procédé, y compris
la vanne et le reste de l'équipement de la
boucle. La caractéristiques du débit installé
est dénie par le rapport entre le débit qui
traverse la vanne et l'entrée de l'ensemble de
la vanne lorsque la vanne est installée dans un
système spécique, et la chute de pression à
travers la vanne peut changer naturellement
au lieu d'être maintenue à une valeur
constante. La courbe supérieure de la
Figure 2.5. illustre la caractéristique du débit
installé. Le débit indiqué sur cette gure est
en relation avec la course de la vanne plus
connue, et non pas avec l'entrée de
l'ensemble de la vanne.
1000
Caractéristique installée
800
Débit
600
(gpm)
400
200
0
3
Gain
2
(% débit/
% entrée)
Figure 2.5 Caractéristiques du débit installé et gain
42
1
Gain installé
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Plage de contrôle
Course de vanne(%)
Spécification
gain EnTech
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
2.1.4.1 Gain installé
Le gain installé, illustré par la courbe
inférieure de la Figure 2.5, est une
représentation de la pente de la courbe
supérieure en chaque point. Les courbes de
caractéristiques du débit installé peuvent être
obtenues en laboratoire, en faisant
fonctionner toute la boucle selon le point de
consigne nominal et sans interférences de
charge. La boucle est mise en fonctionnement
manuel, le débit est mesuré et enregistré à
mesure que l'entrée de l'ensemble de
régulation est manuellement amenée à sa
plage de course complète. La partie
supérieure de la Figure 2.5 est une
représentation des résultats qui forment la
courbe de la caractéristique du débit installé.
La pente de cette courbe de débit est ensuite
évaluée à chaque point de la courbe et
marquée comme le gain installé, comme
illustré sur la partie inférieure de la Figure 2.5.
Les valeurs du gain de procédé installé
mesurées sur le terrain peuvent également
être relevées sur un seul point de
fonctionnement à l'aide des essais sur la
phase de la boucle ouverte (Figure 2.3). Le
gain de procédé installé à une condition
opératoire, quelle qu'elle soit, est simplement
le rapport entre le pourcentage de
changement de la sortie (débit) et le
pourcentage de changement du signal
d'entrée de l'ensemble de la vanne.
La raison de la caractérisation du gain
inhérent de la vanne à différentes conceptions
d'équipement interne de la vanne permet de
compenser d'autres changements de gain
dans la boucle de contrôle. L'objectif nal est
de maintenir le gain de boucle, qui est
raisonnablement uniforme sur l'ensemble de
la plage de fonctionnement, an de garder
une caractéristique du débit installé
relativement linéaire pour le procédé. Au vu
de la manière dont elle est mesurée, la
caractéristique du débit installé et le gain
installé illustrés à la Figure 2.5 sont
réellement le gain installé et la caractéristique
de débit de l'ensemble du procédé.
En général, le gain de l'unité contrôlée change
en fonction du débit. Le gain d'une cuve sous
pression tend par exemple à diminuer avec le
rendement. Dans ce cas, l'ingénieur chargé du
contrôle du procédé pourrait vouloir utiliser
une vanne à égal pourcentage dont le gain
augmente avec le débit. Idéalement, ces deux
relations inverses devraient s'équilibrer pour
assurer une caractéristique du débit installé
plus linéaire pour l'ensemble du procédé.
2.1.4.2 Gain de boucle
Théoriquement, une boucle est réglée de
manière à assurer des performances
optimales à un point de consigne de débit. Le
débit variant autour de ce point de consigne,
il convient de garder le gain de boucle le plus
constant possible pour maintenir des
performances optimales. Si le gain de boucle
change à cause d'une caractéristique
inhérente de la vanne, il ne compense pas
exactement le gain changeant de l'unité
contrôlée et le gain de boucle changera en
fonction de la variation du gain de procédé
installé. En conséquence, l'optimisation du
procédé devient plus difcile. Le gain de
boucle risque également de changer
sufsamment pour provoquer l'instabilité,
limiter le cycle ou d'autres difcultés
dynamiques.
Le gain de boucle ne devrait pas varier de plus
de 4:1 ; au-delà, les performances
dynamiques de la boucle pourraient devenir
inacceptables. Ce taux spécique n'a rien de
magique ; c'est simplement un élément sur
lequel de nombreux spécialistes du contrôle
s'accordent pour dire qu'il produit une plage
acceptable de marges de gain dans la plupart
des boucles de contrôle du procédé.
Ces lignes directrices constituent la base de la
spécication de limite de gain EnTech
suivante (tirée de la Spécication dynamique de
la vanne de contrôle, Version 3.0, novembre
1998, EnTech Control Inc., Toronto, Ontario,
Canada):
Gain de procédé de la boucle = 1,0 (% de
l'étendue du transmetteur)/(% sortie du
contrôleur)
Plage nominale : 0,5-2,0
(Remarque Proportion de 4-à-1)
43
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Caractéristique et gain installés du débit
Cette dénition du procédé de la boucle
comprend tous les dispositifs de la
conguration de la boucle, à l'exception du
contrôleur. En d'autres termes, le produit des
gains de dispositifs tels que l'ensemble de
régulation, l'échangeur de chaleur, la cuve
sous pression et d'autres systèmes contrôlés,
la pompe, le transmetteur, etc. est le gain de
procédé. La vanne étant une partie du
procédé de la boucle tel qu'il est déni ici, il
est important de sélectionner un type et un
dimensionnement de vanne qui produira une
caractéristique du débit installé sufsamment
linéaire pour rester dans les limites de gain
spéciées sur une plage de fonctionnement
du système. Si la variation de gain qui se
produit dans la vanne de régulation est trop
importante, elle laisse moins de exibilité au
réglage du contrôleur. Dans la pratique, il
convient de garder autant de gain de boucle
que possible dans le contrôleur.
Bien que le taux de 4:1 de changement de
gain dans la boucle soit largement accepté,
tout le monde n'est pas d'accord sur les
limites de gain de 0,5 à 2,0. Certains experts
du secteur utilisent des limites de gain du
procédé de la boucle de 0,2 à 0,8, ce qui
correspond toujours à 4:1. Le danger
potentiel inhérent à l'utilisation de cette plage
de gain réduite est que l'extrémité basse de la
plage de gain pourrait provoquer un
battement important de la vanne durant le
fonctionnement normal. Il convient de
maintenir le battement de la vanne à moins
de 5%. Toutefois, laisser le gain trop
augmenter comporte également un risque.
La boucle peut commencer à osciller, voire
devenir instable, si le gain de boucle est trop
élevé en un certain point de la course. Pour
assurer de bonnes performances dynamiques
et la stabilité de la boucle sur une vaste plage
de conditions opératoires, les experts du
secteur recommandent d'ingénieriser
l'équipement de la boucle de telle façon que
le gain de procédé reste dans une plage
comprise entre 0,5 et 2,0.
2.1.4.3 Optimisation du procédé
L'optimisation du procédé requiert de choisir
un type et un dimensionnement de vanne qui
maintiendront le gain de procédé dans la
plage de limite de gain sélectionnée qui
couvre le plus grand nombre possible de
conditions opératoires. Minimiser la
variabilité du procédé dépend du fait que l'on
maintienne un gain installé uniforme, c'est
pourquoi la plage sur laquelle la vanne peut
fonctionner, dans les limites de spécication
de gain acceptables, est dénie comme la
plage de contrôle de la vanne.
La plage de contrôle d'une vanne varie
largement en fonction du type de vanne. La
Figure 2.6 compare une vanne papillon
linéaire à un robinet à soupape linéaire. Le
robinet à soupape présente une plage de
1000
Débit
(gpm)
Gain
800
600
400
200
0
3
2
Papillon
Papillon
(% débit/
% entrée)
Figure 2.6 Effet du type de vanne sur la plage de contrôle
44
1
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Robinet à
soupape
Robinet à
soupape
Course de vanne (%)
Caractéristique installée
Gain installé
Spécification de
gain EnTech
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
contrôle bien plus étendue que la vanne
papillon. Les autres types de vannes, comme
les vannes à boisseau sphérique à encoche en
V et les vannes à clapet excentré, sont
généralement placés quelque part entre ces
deux plages.
Les vannes papillon ayant généralement la
plage de contrôle la plus limitée, elles sont
plus adaptées aux applications à charge xe.
De plus, elles doivent être soigneusement
dimensionnées pour assurer des
performances optimales avec des charges
xes.
Si la caractéristique inhérente de la vanne
pouvait être sélectionnée de manière à
compenser exactement le changement de
gain du système en fonction du débit, on
pourrait s'attendre à ce que le gain de
procédé installé (courbe inférieure) soit
essentiellement une ligne droite d'une valeur
de 1,0.
Malheureusement, il est rarement possible
d'obtenir une correspondance aussi précise
du gain, au vu des limites logistiques
imposées par la fourniture d'une variété
innie de caractéristiques inhérentes à
l'équipement interne de la vanne. De plus,
certains types de vannes, comme les vannes
papillon et les vannes à boisseau sphérique,
ne permettent pas de disposer d'alternatives
d'équipement interne grâce auxquelles il
serait facile de modier la caractéristique
inhérente à la vanne.
Cette situation peut être améliorée par
l'utilisation d'une échelle non linéaire entre le
point de consigne de la vanne et sa position.
Cette technique re-dimensionne le signal
d'entrée de la vanne en utilisant le signal du
contrôleur linéaire et en appliquant un
tableau de valeurs pré-programmées pour
produire l'entrée de vanne nécessaire à
atteindre la caractéristique voulue pour la
vanne. Cette technique est parfois appelée
chemin avant ou caractérisation du point de
consigne.
Cette caractérisation se produit à l'extérieur
de la boucle de retour du positionneur, et elle
évite de modier le gain de boucle du
positionneur. Cette méthode a elle aussi ses
limites dynamiques. Par exemple, en certains
points de la plage de la vanne un changement
du signal de procédé de 1,0% peut être réduit
à 0,1% de changement de signal transmis à la
vanne (c'est-à-dire dans les régions plates de
la courbe de caractérisation) grâce à ce
processus de caractérisation. De nombreuses
vannes de régulation ne sont pas en mesure
de répondre aux changements de signal aussi
réduits.
Les meilleures performances du procédé sont
obtenues lorsque les caractéristiques du
débit requises sont obtenues par des
changements de l'équipement interne de la
vanne et non pas par l'utilisation d'une
caractérisation non linéaire. La bonne
sélection de la vanne de régulation conçue
pour produire des caractéristiques de débit
installé raisonnablement linéaires sur la plage
de fonctionnement du système est une phase
critique pour assurer les performances
optimales du procédé.
2.1.5 Dimensionnement de la vanne
Un surdimensionnement des vannes se
produit parfois lorsque l'on essaie d'optimiser
les performances du procédé en réduisant la
variabilité du procédé. C'est la conséquence
de l'utilisation de vannes linéaires, en
particulier de vannes rotatives haute capacité,
ou de l'ajout conservatoire de multiples
facteurs de sécurité à différentes phases de la
conception du procédé.
Surdimensionner la vanne est néfaste pour la
variabilité du procédé, de deux manières
différentes. En premier lieu, une vanne
surdimensionnée donne trop de gain à la
vanne, ce qui laisse moins de exibilité pour
régler le contrôleur. Les meilleures
performances sont obtenues lorsque la
plupart du gain de boucle est dû au
contrôleur.
Sur la courbe de gain de la Figure 2.5,
remarquez que le gain de procédé est
relativement élevé dans la région qui se
trouve à moins de 25% environ de la course
de la vanne. Si la vanne est surdimensionnée,
la rendre plus apte à fonctionner dans cette
région (ou près d'elle), entend que le gain du
contrôleur devra être réduit an d'éviter les
problèmes d'instabilité de la boucle. Cela
entend évidemment pénaliser la variabilité du
procédé.
45
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
La seconde manière dont les vannes
surdimensionnées préjudicient la variabilité
du procédé est qu'une vanne
surdimensionnée fonctionnera probablement
plus souvent aux ouvertures plus réduites de
la vanne, où la friction du joint peut être plus
importante, en particulier dans les vannes
rotatives. Une vanne surdimensionnée
produisant un changement de débit
disproportionné pour l'incrément donné de la
course de la vanne, ce phénomène peut
largement exagérer la variabilité du procédé
associée à la bande morte provoquée par la
friction.
Quelle que soit la caractéristique inhérente
réelle de la vanne, une vanne extrêmement
surdimensionnée tend à agir plus comme une
vanne à ouverture rapide, ce qui provoque un
gain de procédé installé élevé dans les
régions de levage limité (Figure 2.5). De plus,
lorsque la vanne est surdimensionnés, elle
tend à atteindre la capacité du système à une
course relativement faible, ce qui aplatit la
courbe lorsque la course de la vanne est plus
élevée (Figure 2.5). Lorsque la vanne se
déplace de 50 degrés environnement, elle est
totalement inefcace aux ns du contrôle, car
le gain de processus est proche de zéro et la
vanne doit être soumise à de grands
changements de course pour des
modications limitées du débit. Par
conséquent, il est fort peu probable
d'atteindre une variabilité de procédé
acceptable dans cette région.
La vanne illustré à la Figure 2.5 est totalement
erronée dans cette application, car sa plage
de contrôle est extrêmement limitée (de 25 à
45 degrés environ). Cette situation s'est
produite parce qu'une vanne papillon linéaire
a été choisie, principalement parce qu'elle est
économique, sans accorder aucune
considération à la perte de prot due au
sacrice de la variabilité du procédé
engendrée par les faibles performances
dynamiques de la vanne de régulation.
Cette situation est malheureusement
fréquente. Les études sur le contrôle du
procédé montrent que dans certains
domaines, la majorité des vannes utilisées
dans les boucles de contrôle de procédé sont
surdimensionnées pour l'application
concernée. Bien que cela semble illogique, il
est souvent plus intéressant du point de vue
économique de choisir une vanne de
régulation adaptée aux conditions présentes,
puis de la remplacer lorsque les conditions
changent.
Lors du choix d'une vanne, il est important de
considérer le type de vanne, la caractéristique
inhérente et la taille qui assureront la plus
grande plage de contrôle possible pour
l'application.
Pour plus d'informations quant au
dimensionnement, se reporter au Chapitre 5.
2.2 Résultats économiques
La prise en compte des facteurs illustrés dans
le chapitre présent peut avoir un impact
énorme sur les résultats d'un système. De
plus en plus souvent, les utilisateurs d'une
vanne de régulation se concentrent sur les
paramètres de performance dynamique tels
que la bande morte, les temps de réponse et
le gain installé (dans les conditions de charge
actuelles du procédé) comme moyen
d'améliorer les performances de la boucle du
procédé. Bien qu'il soit possible de mesurer
un grand nombre de ces paramètres de
performances dynamiques dans une boucle
ouverte, leur impact devient évident lorsque
l'on mesure les performances à boucle
fermée. Les résultats des essais en boucle
fermée illustrés à la Figure 2.7 montrent la
capacité de ces trois différentes vannes de
réduire la variabilité du procédé dans
différentes conditions de réglage.
Ce diagramme représente la variabilité du
procédé en pourcentage de la variable du
point de consigne par rapport à la constante
de temps en boucle fermée, qui est une
mesure du réglage de la boucle.
La ligne horizontale marquée « manuel »
montre combien la variabilité est inhérente
dans la boucle lorsqu'aucune tentative de la
contrôler n'est faite (boucle ouverte). La ligne
qui descend vers la gauche, marquée
« variabilité minimum », représente les
performances dynamiques calculées d'un
ensemble de vanne idéal (sans nonlinéarités). Tous les véritables ensembles de
vanne devraient normalement gurer entre
ces deux conditions
46
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
Constante de temps boucle fermée, (secondes)
Vannes 4” testées à 600 gpm dans une boucle d'essai 4”
Variabilité,
2
6
5
4
3
2
1
0
Variabilité
minimum
Ajustement rapide
Ajustement lent
Auto
Manuel
Vanne A
Vanne B
Vanne C
1 10
Figure 2.7 Récapitulatif des interférences de charge aléatoires de la boucle fermée
Toutes les vannes ne fournissent pas les
mêmes performances dynamiques, bien
qu'elles répondent toutes théoriquement aux
performances statiques des spécications
d'achat et qu'elles soient considérées comme
des vannes équivalentes (Figure 2.7). À la
Figure 2.7, la vanne A ne suit pas bien la
tendance de la ligne de variabilité minimum
sur une grande plage de réglages du
contrôleur. Cette vanne afche d'excellentes
performances dynamiques avec une
variabilité minimum. À l'opposé, la
conception des vannes B et C ne s'adaptent
pas aussi bien et leur variabilité augmente
lorsque le système est réglé de manière plus
agressive pour réduire les constantes de
temps en boucle fermée.
Ces trois conceptions de vannes peuvent
contrôler le procédé et réduire la variabilité,
mais deux ne le font pas aussi bien que la
troisième. Pensez à ce qu'il pourrait se passer
si la vanne B moins performante était
remplacée par la vanne A plus performantes
et que le système était réglé à une constante
de temps de 0,2 secondes en boucle fermée.
Les données de l'essai donneraient une
amélioration de 1,4% de la variabilité du
procédé. Cela ne semble pas grand chose,
mais les résultats dans le temps peuvent être
impressionnants. Une vanne qui peut
produire une telle amélioration à chaque
minute de la journée peut économiser une
grande somme chaque année.
Dans cet exemple, les performances de la
meilleure vanne montrent clairement qu'un
ensemble de régulation supérieur peut avoir
un impact économique considérable. Cet
exemple n'illustre qu'une manière dont une
vanne de régulation peut augmenter les
prots en assurant un contrôle plus précis.
Réduire les frais liés à l'énergie, augmenter le
rendement, réduire les frais de re-traitement
des produits hors-spécications, etc. sont
autant d'atouts due à une bonne vanne de
régulation pour augmenter les résultats
économiques en assurant un meilleur
contrôle. Bien que la dépense initiale puisse
être plus importante pour la meilleure vanne
de régulation, les quelques sous dépensés en
plus pour une vanne de régulation bien
ingénierisée peuvent largement augmenter le
retour sur l'investissement. Ce coût initial plus
élevé de la vanne peut être récupéré en
quelques jours.
47
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
En conséquence, les industries du procédé
sont devenues de plus en plus conscientes du
fait que les ensembles de vanne de régulation
jouent un rôle important dans les
performances de la boucle/l'unité/l'usine.
Elles se sont également aperçues du fait que
les méthodes traditionnelles de spécication
d'un ensemble de vannes ne sont plus aptes à
assurer les avantages de l'optimisation du
procédé. S'ils sont importants, les indicateurs
de performances statiques tels que la
capacité du débit, les fuites, la compatibilité
des matériaux et les données des
performances en atelier ne sont pas
sufsamment adaptés pour gérer les
caractéristiques dynamiques des boucles de
contrôle d'un procédé.
2.3 Récapitulatif
L'ensemble de régulation joue un rôle
extrêmement important dans la production
des meilleures performances possibles de la
boucle de contrôle. Optimiser le procédé,
c'est optimiser l'ensemble du procédé, pas
simplement les algorithmes de contrôle
utilisés dans l'équipement de la salle de
contrôle. La vanne est dite « élément de
contrôle nal » car l'ensemble de régulation
est le point où le contrôle du procédé est mis
en œuvre. Il est inutile d'installer une stratégie
de contrôle du procédé élaborée et un
système d'instrumentation matériel qui peut
contrôler le procéder jusqu'à 0,5%, voire plus,
puis d'appliquer à cette stratégie de contrôle
une vanne de régulation de 5% ou plus. Les
audits effectués sur des milliers de boucles de
contrôle de procédé ont montré sans
conteste que le rôle de l'élément de contrôle
nal est crucial pour optimiser réellement le
procédé. Le prot augmente lorsqu'une
vanne de régulation a bien été ingénierisée
pour son application.
Les vannes de régulation sont des produits
sophistiqués, hautement technologiques, et
elles ne doivent pas être considérées comme
des banalités. Bien que les spécications des
vannes traditionnelles aient un rôle
important, les spécications doivent
également tenir compte des caractéristiques
de performances dynamiques réelles si le
résultat attendu est réellement l'optimisation
du procédé. Ces spécications doivent
impérativement comprendre des paramètres
tels que la bande morte, le temps mort, le
temps de réponse, etc.
Enn, l'optimisation du processus commence
et nit par l'optimisation de l'ensemble de la
boucle. Les parties d'une boucle ne peuvent
pas être considérées individuellement pour
obtenir des performances coordonnées de
l'ensemble de la boucle. De même, les
performances d'une partie de la boucle
uniquement ne peuvent pas être évaluées de
manière isolée. Les essais isolés, comme ceux
qui sont effectués en atelier, à vide, ne
fourniront pas les informations quant aux
performances qui sont obtenues en testant le
matériel dans ses conditions de procédé
réelles.
48
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation
49
Chapitre 3
Types de vannes et d'actionneurs
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
3.1 Types de vannes de régulation
La vanne de régulation régule le débit du
uide en fonction du changement de position
de l'obturateur de la vanne obtenu sous l'effet
de la force de l'actionneur. Pour ce faire, la
vanne doit :
Retenir le uide sans laisser passer de
fuites ;
Avoir la capacité adaptée à l'usage prévu ;
Résister à l'érosion, à la corrosion et à
l'inuence de la température du procédé ;
et
Incorporer les raccords adaptés aux
conduits adjacents ; l'accessoire de
l'actionneur doit assurer la transmission
de la poussée de l'actionneur à la tige ou à
l'arbre de la vanne.
Un grand nombre de corps de vannes de
régulation a été développé dans le temps.
Certains sont adaptés à de nombreuses
applications, tandis que d'autres répondent à
des conditions de fonctionnement spéciques et sont utilisés moins fréquemment. Le
récapitulatif suivant décrit certains types de
corps de vanne les plus communément
utilisés actuellement.
n
Les vanne d'équerre (Figure 3.1) sont
communément utilisées pour l'eau qui
alimente les chaudières et le système de
vidange des radiateurs, ainsi que dans les
congurations de conduits où la place est
un élément fondamental et que la vanne
peut également servir de coude. La vanne
illustrée est à cage. D'autres peuvent avoir
des raccordements de sortie élargis, un
équipement interne restreint, ou une
protection de sortie qui permet de
réduire les dommages dus à l'érosion, la
détente ou la cavitation.
3.1.1 Robinets à soupape
3.1.1.1 Corps de vanne à une voie
Le corps de vanne à une voie est le plus
commun, et sa construction est simple.
Les vannes à une voie peuvent être de
différentes formes : à soupape, d'équerre,
à barre, forgée et de répartition.
Un grand nombre de corps de vanne à un
siège emploient une cage ou ont une
forme qui permet de retenir la bague de
siège, de guider le clapet de la vanne et
d'assurer des caractéristiques de débit
données.
Les corps de vanne à un siège, à cage ou
équipés d'un système de retenue peuvent
également être facilement modiées, en
changeant les pièces de l'équipement
interne an de modier les caractéristiques du débit ou de fournir un débit
réduit, d'atténuer le bruit, de réduire ou
d'éliminer la cavitation.
Figure 3.1 Corps de vanne de régulation d'angle, à bride
Les corps de vanne en alliage sont
souvent recommandés pour les
applications dans des conditions très
corrosives (voir la Figure 3.2). Ils peuvent
être à barre, moulés ou forgés. Lorsque
des alliages en métal exotique sont nécessaires pour assurer la résistance à la
corrosion, un corps de vanne à barre est
parfois moins coûteux qu'un corps de
vanne moulé. Il est également possible
d'utiliser une vanne recouverte d'un
revêtement polymère.
Les vannes haute pression sont souvent
utilisées dans les domaine des hydrocarbures et de la génération d'énergie et
elles sont disponibles conformes à la
norme CL4500 ou API 10,000. Il peut
s'agir de robinet à soupape ou d'équerre,
et ils ont souvent un équipement interne
spécial en option pour les applications
contraignantes.
51
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Les robinets à soupape haute pression
guidés par une tige sont souvent utilisés
pour la production de gaz et de pétrole.
Les variations disponibles comprennent
les chapeaux letés et les coudes de
drainage automatique. Des versions à
bride sont disponibles pour les valeurs
correspondant à la Classe 2500.
3.1.1.2 Corps de vannes à guidage postérieur et guidage par le passage
Ils sont généralement indiqués pour les
applications qui ont des exigences d'arrêt
très strictes Ils emploient des surfaces de
logement métal-sur-métal ou des
logements souples de PTFE ou d'autres
compositions de matériaux qui constituent le joint. Ils peuvent gérer la plupart
des exigences de service.
Un uide sous haute pression chargeant
généralement toute la surface du
passage, la force déséquilibrée générée
doit être prise en compte lors du choix
des actionneurs pour les corps de vanne à
guidage postérieur ou par le passage.
Bien qu'elles soient plus communes en
petite taille, les vannes à guidage
postérieur ou par le passage peuvent
souvent être utilisées en taille NPS 4-8
(DN 100-200) avec des actionneurs à
grand effet.
Elles peuvent être sujettes à des
vibrations en cas de haute pression, il
s'agit donc de faire attention à ce point
lors de la conception.
La Figure 3.3 illustre l'un de ces types les plus
communs de corps de vanne de régulation à
guidage postérieur et à robinet. Ils sont
largement employés dans les applications de
contrôle de procédé, en particulier NPS 1-4
(DN 20-100).
Le sens normal du débit est le plus souvent
vers le haut, à travers la bague de siège.
3.1.1.3 Corps de vanne à cage
L'équipement interne à cage (Figure 3.4)
assure le guidage du clapet de la vanne, la
retenue de la bague de siège et la caractérisation du débit.
De plus, un grand nombre de matériaux et de
types de garniture sont disponibles pour
assurer l'étanchéité entre la partie supérieure
du diamètre extérieur du clapet de la vanne et
l'orice de la cage, an de limiter les fuites de
uide sous haute pression en amont vers le
système basse pression en aval. Dans les
conceptions équilibrées, la pression en aval
agit sur le côté supérieur et inférieur du clapet
de la vanne, ce qui annule la plupart de la force
statique déséquilibrée. La réduction de la force
déséquilibrée permet le fonctionnement de la
vanne avec de plus petits actionneurs que ceux
qui sont nécessaires pour les équipements
internes déséquilibrés. La possibilité de
changer l'équipement interne permet de
choisir différentes caractéristiques de débit,
comme l'atténuation du bruit, l'anti-cavitation
ou d'autres éléments lorsque le fonctionnement est contraignant. Pour la plupart des
conceptions d'équipement interne disponible,
le sens du débit passe à travers les ouvertures
Figure 3.2 Vanne de régulation monobloc
52
Figure 3.3. Corps de robinet à soupape à une voie
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
de la cage et descend à travers la bague de
siège. Toutefois, l'équipement interne visant à
atténuer le bruit entend généralement un
débit vers le haut. Il est disponible en
différentes combinaisons de matériel, en tailles
NPS 36 (DN 900) et à une pression allant
jusqu'à la Classe 4500 ou API 10,000.
3.1.1.4 Corps de vanne à deux voies
Le secteur s'est massivement détourné
des vannes à deux voies.
La force dynamique exercée sur le clapet
tend à être équilibrée puisque le débit
tend à ouvrir une voie et fermer l'autre.
Les forces dynamiques réduites qui
agissent sur le clapet peuvent permettre
de choisir un plus petit actionneur que ce
qui serait nécessaire avec un corps de
vanne déséquilibré à une voie de même
capacité.
Les corps sont généralement fournis
uniquement en NPS 4 (DN 100) ou plus.
Les corps ont généralement une plus
grande capacité que les vannes à une voie
de la même dimension linéaire.
Un grand nombre de corps de vanne à
deux voies peuvent être inversés, ce qui
permet d'appliquer la méthode PDTO
(appuyer pour ouvrir) ou PDTC (appuyer
pour fermer, voir Figure 3.5).
Le siège métal-sur-métal assure
généralement une capacité d'arrêt de
Classe II, mais la Classe III est également
disponible.
Les clapets de vanne guidés par le
passage sont souvent utilisés pour la
fonction marche/arrêt ou l'étranglement
basse pression. Les clapets de vannes à
guidage par le haut ou le bas assurent un
fonctionnement stable dans les
conditions contraignantes.
Le corps de vanne illustré à la Figure 3.5 est
assemblé pour le fonctionnement PDTO du
clapet.
Les conceptions à deux voies étaient
traditionnellement utilisées dans les
rafneries, pour les uides très visqueux, ou
lorsque des contaminants ou des dépôts de
procédé risquaient de s'accumuler sur
l'équipement interne.
3.1.1.5 Corps de vanne à trois voies
Trois raccords de conduits assurent la
convergence générale (mélange de
débits) ou la divergence (séparation de
débits).
Les variantes comprennent les conceptions à cage, à guidage par le passage ou
par la tige ; elles peuvent être sélectionnées pour le fonctionnement à haute
température, et les raccordements
terminaux standard (à bride, vissés,
soudés bout-à-bout, etc.) peuvent être
spéciés pour s'adapter à la plupart des
formes de conduits.
La sélection de l'actionneur demande une
attention spéciale, en particulier sur les
constructions qui prévoient un clapet de
vanne non équilibré.
Figure 3.4 Corps de vanne avec équipement interne à cage,
clapet de vanne équilibré et joint souple
Figure 3.5 Corps de robinet à soupape à deux voies
53
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
À la Figure 3.6, un corps de vanne à trois voies
avec clapet de vanne non équilibré est illustré
avec et le clapet de vanne cylindrique à
mi-course. Cette position ouvre le passage de
fond commun vers les passages droit et gauche.
Cette construction peut être utilisée pour
contrôler la position d'étranglement à mi-course
des uides qui convergent ou divergent.
Figure 3.6 Robinet à soupape à trois voies
3.1.2 Vannes sanitaires
Ces corps de vanne sont conçus pour répondre
aux exigences strictes des industries pharmaceutique et biotechnologique. Les standards de
ces secteurs diffèrent de ceux qui s'appliquent
aux vannes de régulation traditionnelles, car
dans de nombreuses applications le uide du
procédé est destiné à la consommation
humaine. C'est la raison pour laquelle il est de la
plus grande importance de prévenir le
développement de bactéries et l'ajout de corps
étrangers dans le uide du procédé.
Des joints avec et sans glissement ASMEBPE ont été incorporés an de satisfaire
à une vaste gamme d'applications aseptiques. Les certications sont disponibles.
Les matériaux métalliques employés
pour ces vannes répondent aux exigences
sanitaires 3A. Les certications sont
disponibles.
Les élastomères employés pour ces
vannes sont certiés FDA et USP CL VI.
Les vannes sont normalement équipées
de surfaces internes électro-polies de <35
Ra micro-pouce (0,89 Micron). En option,
des valeurs inférieures de rugosité de la
surface sont également disponibles.
La purge automatique permet à ces
vannes d'être bien adaptées aux applications Clean-in-Place (CIP, nettoyage en
place) et Steam-in-Place (SIP, vaporisation
en place).
Les vannes sont fabriquées en acier
inoxydable 316L et les extrémités sont
équipées de trois colliers ou, en option,
soudées bout à bout. D'autres matériaux
sont disponibles en option.
Des applications qui prévoient l'usage
continu de la vapeur à une température
pouvant atteindre 177°C (350°F) peuvent
être prévues.
3.1.3 Vannes rotatives
3.1.3.1 Corps des vannes papillon
L'installation des corps nécessite un
espace minimum (Figure 3.7).
Ces vannes assurent une faible perte de
pression à travers les vannes.
Les corps des vannes papillon sont
économiques, en particulier lorsqu'elles
sont de grande taille et que la capacité du
débit est importante.
Les surfaces de contact des corps peuvent
être constituées de faces surélevées
ASME et de brides DN.
Les corps des vannes papillon peuvent
nécessiter des actionneurs de grande
taille ou à haut rendement si la vanne est
grande ou si la perte de pression est
importante au vu du fait que les couples
de fonctionnement peuvent être
relativement importants.
Certaines unités peuvent être employées
dans les centrales nucléaires, où les
exigences en termes de fuite sont
extrêmement contraignantes.
Les vannes papillon standard sont
disponibles en différentes dimensions
NPS 72 (DN 1800) pour les applications
de régulation diverses. Les dimensions
plus réduites peuvent utiliser des
actionneurs à membrane ou à piston
pneumatique traditionnels, notamment
les actionneurs rotatifs modernes. Les
dimensions plus importantes peuvent
requérir un cylindre électrique à haute
rendement, pneumatique à course
longue, ou des actionneurs électro-hy-
54
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
drauliques. Les vannes papillons
présentent généralement une caractéristique de débit à égal débit. Elles peuvent
être utilisées pour les fonctions d'étranglement ou marche/arrêt.
Figure 3.7 Vanne papillon de régulation
3.1.3.2 Corps desvannes à boisseau sphérique segmenté
Cette construction est semblable à celle des
vannes à boisseau sphérique, mais la bille
comprend un segment à encoche en V
(Figure 3.8). L'encoche en V produit une
caractéristique de débit à égal pourcentage.
Ces vannes de régulation ont de bonnes
capacités en termes de marge de réglage
théorique, de contrôle et d'arrêt. L'industrie
du papier, les usines chimiques, les usines de
traitement des eaux usées, les centrales
électriques et les rafneries de pétrole sont
équipées de ce type de vannes.
La conception à deux voies permet de
gérer les petites chutes de pression.
Les corps de vanne à boisseau sphérique à
encoche en V sont adaptés à la régulation
de uides visqueux ou qui provoquent
l'érosion, la pâte à papier et autres boues
contenant des solides ou des bres.
Elles sont équipées d'actionneurs standard
à ressort et membrane, à piston, électriques ou électro-hydrauliques rotatifs.
La bille reste au contact du joint durant la
rotation, ce qui produit un effet de
cisaillement lorsque la bille se ferme et
réduit l'obstruction.
Les corps sont disponibles équipées d'un
joint d'étanchéité de la bille pour service
intensif ou garni de PTFE an d'assurer
une excellente marge de réglage
théorique au-delà de 300:1.
Les vannes de régulation à boisseau
sphérique segmenté sont disponibles
équipées de raccords avec ou sans bride
aux extrémités du corps.
Les vannes avec et sans brides peuvent
toutes les deux être équipées de brides
ASME Classe 150, 300 ou 600. Les
conceptions prévoies également les
brides DN, PN10, 16, 25 ou 40. Les
conceptions à bride JIS 10K et 20K sont
également disponibles.
3.1.3.3 Corps des vannes papillon hautes performances
Ces corps permettent de réguler
l'étranglement de manière efcace.
Les corps de vannes papillon hautes
performances assurent la caractéristique
du débit linéaire sur 90 degrés de la
rotation du disque (Figure 3.9).
Le montage du disque à double
écartement l'éloigne du joint lorsque
l'ouverture a commencé, ce qui minimise
l'usure du joint.
Les corps de vanne papillon hautes
performances sont disponibles en
différentes tailles, comme indiqué par
NPS 24 (DN 600), et ils sont compatibles
avec les brides standard ASME.
Figure 3.8 Vanne à boisseau sphérique segmenté
Figure 3.9 Vanne papillon de régulation hautes performances
55
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Elles sont équipées d'actionneurs
standard à ressort et membrane, à piston,
électriques ou électro-hydrauliques
rotatifs.
La direction standard du débit dépend de
la conception du joint ; le débit inverse
engendre une réduction de la capacité.
Les vannes papillon hautes performances sont
conçues pour les applications générales qui
ne nécessitent pas un contrôle précis de
l'étranglement. Elles sont souvent utilisées
dans les applications qui demandent de
grandes tailles et des températures élevées,
car elles ont un faible coût par rapport à
d'autres types de vannes de régulation. La
plage de régulation de ce type de vanne
correspond environ à un tiers de celle des
vannes à boisseau sphérique ou des robinets
à soupape. Un plus grand soin est donc
nécessaire lors du dimensionnement et de
l'application de ce genre de vannes an
d'éliminer les problèmes de contrôle qui sont
associés aux changements de charge du
procédé. Elles fonctionnent relativement bien
dans les procédés à charge constante. Les
conceptions qui utilisent un prol caractérisé
peuvent étendre la plage de régulation à celle
d'une vanne à boisseau sphérique segmenté.
3.1.3.4 Corps des vannes à clapet excentré
L'ensemble de la vanne limite la
corrosion. Le corps robuste et la
conception de l'équipement interne
permettent de prendre en charge des
températures qui peuvent atteindre
427°C (800°F) et une chute de pression à
la fermeture de 1500 psi (103 bar).
Le chemin du disque excentré minimise le
contact avec la bague de siège durant
l'ouverture, ce qui réduit l'usure du joint
ainsi que la friction et prolonge donc la
durée de vie du siège, tout en améliorant
les performances de l'étranglement
(Figure 3.10).
La bague de siège autocentrée et le
disque robuste permettent à l'écoulement de se faire en sens normal ou en
sens inverse, et ils et assurent une
fermeture étanche dans les deux sens. Le
disque, la bague de siège et le système de
retenue sont disponibles en matériaux
renforcés, notamment la céramique, an
d'assurer la résistance à l'érosion.
Le clapet, la bague de siège et le système
de retenue sont disponibles en matériaux
renforcés, notamment la céramique et les
carbures, an d'assurer la résistance à
l'érosion.
Certaines conceptions prévoient une bille
segmentée à encoche en V à la place du
clapet si une plus grande capacité est
nécessaire.
Ce type de vanne de régulation rotative est
conçu pour réguler les uides érosifs, de
cokéfaction et les autres uides difciles à
traiter, et il assure une fonction d'étranglement ou marche/arrêt. Les vannes avec ou
sans bride assurent un passage constant du
uide, tandis que les composants métalliques
robustes de l'équipement interne garantissent un service able avec des uides
boueux. Ces vannes sont utilisées dans les
exploitations minières, la rafnerie du
pétrole, la génération de puissance, ainsi que
le traitement de la pulpe et du papier.
Figure 3.10 Corps de vanne de régulation à clapet excentré
n
3.1.3.5 Corps desvannes à boisseau sphérique
Les vannes à boisseau sphérique sont conçues
pour optimiser le contrôle de la pression,
de l'étranglement, du débit et du procédé.
En général, une option permet d'atténuer le
bruit et les vibrations. Une vanne à boisseau
sphérique utilisée comme un dispositif de
contrôle de l'étranglement est idéalement un
appareil dont l'orice est réduit, ou elle comprend un mécanisme à passage complet équipé d'un atténuateur qui absorbe les petites
chutes de pression en position entièrement
ouverte. Une vanne à boisseau sphérique doit
tourner de 15 à 20 degrés avant d'absorber
une énergie sufsante du système, ce qui
contribue à générer un retard dans le contrôle
du procédé. Un passage réduit ou un disposi-
56
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
tif atténué absorbe une plus grande quantité
de pression lorsque l'ouverture est complète ;
lorsque la bille tourne, la chute de pression
augmente durant les premiers incréments
de la course. Les vannes à bille à passage complet présentent peu ou pas de restrictions en
termes de débit et permettent le raclage (en
l'absence d'atténuation). Voir la Figure 3,11.
Figure 3.12 Vanne de sélection de débit à passages multiples
Figure 3.11 Vanne à boisseau sphérique
3.1.3.6 Sélecteur de débit à passages multiples
Une vanne de sélection de débit à passages
multiples est raccordée à huit lignes en
entrée, ce qui permet d'isoler, de dévier et de
tester le uide sur chacune des lignes à l'aide
d'un clapet rotatif, tout en permettant au
débit des sept autres lignes de s'écouler vers
une sortie commune au groupe. Cette vanne
permet de sélectionner et de séparer de
manière compacte les uides d'une ligne an
de les tester, sans interrompre la production
des autres lignes.
Le sélecteur de débit à passages multiples est
composé de quatre composants principaux :
le corps, le chapeau, le bouchon du rotor et
l'actionneur. Le corps consiste en des passages d'entrée et de sortie qui permettent de
raccorder les huit entrées, une sortie d'essai
et une sortie de séparation, et une sortie
commune au groupe. Le chapeau maintient
le clapet à la verticale, équilibré de façon à
pivoter dans le corps, et il assure l'étanchéité
complète du corps de vanne. Le clapet est
utilisé pour sélectionner le passage de uide
qui sera envoyé vers le passage de sortie. Voir
la Figure 3,12.
3.2 Extrémités de raccordement de la vanne de régulation
Les trois méthodes les plus communes pour
installer des vannes de régulation sur une
conduit sont les suivantes : à l'aide de
conduits letés à visser, de brides à goujon
boulonné ou par un raccordement soudé.
3.2.1 Conduits letés à visser
Les extrémités à visser, très utilisées sur les
petites vannes de régulation, sont plus
économiques que les extrémités à bride. Les
letages généralement spéciés sont des
letages coniques femelle NPT (National Pipe
Thread) qui se trouvent sur le corps de vanne.
Ils forment un raccord métal/métal en
s'encastrant dans le letage mâle de
l'extrémité du conduit.
Ce type de raccordement, qui se limite
généralement aux vannes NPS 2 (DN 50) ou
plus petites, est déconseillé dans les systèmes
qui fonctionnent à des températures élevées.
La maintenance de la vanne peut s'avérer
compliquée lorsque les extrémités de
raccordement sont vissées si les opérations
prévoient l'extraction du corps du conduit,
car pour retirer la vanne il faut forcément
casser un joint à bride ou un raccordement
an de dévisser le corps de vanne du conduit.
57
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Face plate Face surélevée
Joint à bague
Extrémités soudées bout-à-bout
Extrémités à emboîtement soudé
3.2.2 Brides à goujon boulonné
Les extrémités de vanne à bride sont facile à
détacher du conduit et elles sont adaptées à
l'utilisation avec la plage de pression de travail
spéciée pour la plupart des vannes de
régulation (Figure 3.13). Les extrémités à
bride peuvent être utilisées sur une plage de
température proche du zéro absolu et jusqu'à
815°C (1500°F) environ. Elles sont utilisées
sur les vannes de toutes les tailles. Les
raccordements d'extrémité à bride les plus
communs comprennent les joints à face plate,
à face surélevée et les joints à bague.
Figure 3.13 Variétés communes de raccords à brides boulonnées
Le modèle à face plate permet aux brides
d'être entièrement au contact de la face du
joint placé entre elles. Cette construction est
communément utilisée dans les vannes à
basse pression, en fonte, et en laiton ; elle
réduit la contrainte à laquelle la bride est
soumise grâce à la force de boulonnage
initial.
La bride à face surélevée est composée d'une
face circulaire surélevée dont le diamètre
interne est le même que celui de l'ouverture
de la vanne, et le diamètre externe est
légèrement inférieur au diamètre du cercle du
boulon. La face surélevée se termine par des
rainures circulaires concentriques qui
assurent la bonne étanchéité et la résistance à
la surpression. Ce type de bride est utilisé
avec une vaste gamme de matériaux qui
constituent le goujon et la bride, pour des
pression qui peuvent atteindre 6000 psig
(414 bar) et des températures pouvant
atteindre 815°C (1500°F). Ce type de bride
est généralement standard sur les corps en
fonte de Classe et les corps en acier et acier
allié.
La bride de joint à bague a le même aspect
que la bride à face surélevée, à l'exception de
la rainure en forme de U qui est pratiquée sur
la face surélevée, de manière concentrique
par rapport à la ligne centrale du conduit. Le
joint consiste en une bague de métal dont
la section transversale peut être elliptique
ou octogonale. Lorsque les boulons de la
bride sont serrés, le goujon s'encastre dans la
rainure des brides de contact et l'étanchéité
est assurée. Le goujon est généralement
constitué de fer doux, mais il est disponible
dans presque tous les métaux. Cela assure un
excellent joint lorsque la pression est élevée,
c'est pourquoi cette solution est utilisé dans
les systèmes qui peuvent atteindre 15 000
psig (1034 bar), mais elle ne l'est en général
pas lorsque les températures sont élevées.
Elle n'est fournie que lorsque le joint et le
corps de vanne sont en acier ou acier allié.
3.2.3 Extrémités de raccordement soudées
Les extrémités soudées des vannes de
régulation assurent l'étanchéité quelles que
soient la pression et l température ; de plus,
elles sont économiques à l'achat (Figure 3.14). Les vannes dont les extrémités
sont soudées sont plus difciles à séparer du
conduit et elles se limitent évidemment aux
matériaux qui peuvent être soudés. Les
extrémités soudées peuvent être de deux
types : emboîtement soudé et soudage bout
à bout
Figure 3.14 Extrémités soudées communes
58
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Les extrémités soudées de l'emboîtement
sont préparées en perçant chaque extrémité
de la vanne d'un orice dont le diamètre
interne est légèrement supérieur au diamètre
extérieur du conduit. Le conduit glisse dans
l'emboîtement, où il rencontre une épaule et
est solidarisé avec la vanne par une soudure
d’angle. La soudure d’angle ne pénétrant pas
entièrement dans le raccordement vanne/
conduit, certaines méthodes non destructives ne sont pas utilisées pour ces vannes. La
soudure de l'emboîtement peut être utilisée
quelle que soit la taille, et ses dimensions sont
les mêmes quel que soit le schéma du
conduit. Elle est généralement fournie pour
les taillées indiquées par NPS 2 (DN 50).
Les soudures bout à bout sont préparées en
biseautant chacune des extrémités de la
vanne de façon à ce qu'elle corresponde au
biseautage du conduit. Les extrémités de la
vanne sont ensuite assemblées au conduit et
xées par une soudure à pénétration pleine.
Ce type de jonction peut être utilisé sur tous
les types de vanne. La préparation nale est
différentes pour chaque type de conduit.
Ceux-ci sont généralement fournis pour les
vannes de régulation de taille NPS 2-1/2 (DN
65) et plus. Lors du soudage des corps de
vanne sur le conduit, éviter qu'une température excessive ne soit transmise aux
composants de l'équipement interne de la
vanne. Retirer l'équipement interne constitué
du matériel prévu pour la basse température
avant de commencer à souder.
3.2.4 Autres extrémités de raccordement de vanne
Il existe d'autres types d'extrémités de
raccordement utilisés sur les vannes de
régulation. Ces types de raccordement sont
souvent utilisés dans des situations spéciques ou pour répondre à des modèles
particuliers. Parmi les exemples, notons les
extrémités de raccordement hygiénique ou
les extrémités de raccordement à moyeu. n
3.3 Chapeaux du corps de vanne
Le chapeau d'une vanne de régulation est la
partie de l'ensemble du corps à travers
laquelle la tige du clapet de vanne ou l'arbre
rotatif est actionné(e). Sur les corps des
robinets à soupape ou des vannes d'angle,
c'est le composant qui retient la pression à
une extrémité du corps de vanne. Le chapeau
constitue normalement le support par lequel
l'actionneur est monté sur le corps, et il reçoit
l'ensemble de la boîte à garniture.
En général, les vannes rotatives n'ont pas de
chapeau. (sur certaines vannes rotatives, la
garniture est logée dans un prolongement du
corps de vanne, ou la boîte à garniture est un
composant séparé vissé entre le corps de
vanne et le chapeau).
Figure 3.15 Chapeaux, brides et goujons communs
Sur le corps d'un robinet à soupape, le chapeau
est généralement constitué du même
matériau que le corps de vanne, ou d'un
matériau forgé équivalent, car il s'agit d'un
élément qui retient la pression, qui est donc
soumis aux mêmes effets de température et
de corrosion que le corps. Différents types de
raccords entre le corps de vanne et le chapeau
sont illustrés ici. Le type de plus commun, à
bride vissée, est illustré à la Figure 3.15, qui
montre un chapeau à bride intégrale. Sur les
vannes de régulation rotatives, la garniture est
généralement logée dans le corps de vanne et
le chapeau n'est pas utilisé.
Sur les corps de vanne munis d'un équipement interne à cage ou dispositif de retenue,
le chapeau fournit la force de charge qui
permet d'éviter les fuites entre la bride du
chapeau et le corps de vanne, mais aussi entre
la bague de siège et le corps de vanne. Le
serrage des boulons qui xent le chapeau au
corps comprime un joint plat an d'assurer
l'étanchéité du joint corps/chapeau,
comprime un joint en spirale situé au sommet
de la cage, et comprime un autre joint plat
situé sous la bague de siège an d'assurer
l'étanchéité entre la bague de siège et le
59
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
corps. Le chapeau permet également
d'aligner la cage qui, à son tour, dirige le
clapet de vanne an d'assurer le bon
alignement de la vanne, du clapet et de la tige
sur la garniture et le siège.
Comme nous l'avons dit, le chapeau traditionnel d'un robinet à soupape de régulation reçoit
la garniture. Dans la plupart des cas, la
garniture est retenue par le support de
garniture, lequel est maintenu en place par
une bride située sur l'arcade du chapeau
(Figure 3.15). En alternative, la retenue de la
garniture peut se trouver à l'endroit où le
support de la garniture est maintenu en place
par un boulon vissé. Cette solution étant
compacte, elle est souvent utilisée sur les
petites vannes de régulation ; toutefois,
l'utilisateur ne peut pas toujours avoir la
certitude que le letage est bien engagé. C'est
pourquoi il s'agit d'être attentif lors de
l'ajustement de la compression de la garniture
lorsque la vanne de régulation est en fonction.
La plupart des chapeaux à bride vissée
disposent d'un point, sur le côté de la boîte à
garniture, où celle-ci peut être percée et
emboitée. L'ouverture est fermée par un
bouchon de conduit standard, sauf dans les
cas suivants :
le corps de vanne et le chapeau doivent
être purgés an d'éliminer le uide de
procédé, auquel cas l'ouverture peut être
utilisée comme raccordement de purge.
L'ouverture du chapeau est utilisée pour
détecter les fuites au niveau du premier
ensemble de garniture ou des joints à
soufet inefcaces.
3.3.1 Chapeaux élargis
Les chapeaux élargis sont utilisés pour le
fonctionnement à haute ou basse température, an de protéger la garniture de la tige
de vanne contre les températures de procédé
extrêmes. Les garnitures de tige de vanne en
PTFE standard sont utiles pour la plupart des
applications, jusqu'à 232°C (450°F). Les extensions de chapeau déplacent l'ensemble de la
boîte à garniture du chapeau sufsamment
loin de la température extrême du procédé,
de façon à ce que la température de la
garniture reste dans la plage recommandée.
Les extensions de chapeau peuvent être
moulées ou fabriquées (Figure 3.16). Lorsqu'elles sont moulées, elles fonctionnent mieux
aux températures élevées grâce à la meilleure
émissivité de chaleur qui assure un meilleur effet
refroidissant. À l'inverse, les surfaces lisses
(comme celles qui sont fabriquées en tubes
d'acier inoxydable) sont préférables pour le
service froid, car l'inux de chaleur est
typiquement le plus grand problème.
Figure 3.16 Corps de vanne avec extension de chapeau de vanne
fabriqué
Dans les deux cas, l'épaisseur de la paroi de
l'extension doit être réduite an de limiter le
transfert de chaleur. L'acier inoxydable est
généralement préférable à l'acier au carbone
car son coefcient de conductivité thermique
est inférieur. Dans les applications en service
froid, une isolation peut être ajoutée autour
de l'extension an de mieux protéger contre
l'inux de chaleur.
3.3.2 Figure 2 Chapeaux à soufet
Les chapeaux à soufet (Figure 3.17) sont
utilisés lorsqu'aucune fuite n'est tolérée
(moins de 1x10-6 cc/sec d'hélium) le long de
la tige. Ils sont souvent utilisés lorsque le
uide de procédé est toxique, volatile,
radioactif ou très cher. La construction
spéciale du chapeau empêche la tige et la
garniture de la vanne d'entrer en contact avec
le uide de procédé. La construction des
boîtes à garniture standard ou protégeant
l'environnement, au-dessus de l'unité
d'étanchéité du soufet, permettra d'éviter
les accidents catastrophiques en cas de
rupture ou de défaillance des soufets.
60
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Figure 3.17 Garniture à soufet ENVIRO-SEAL
Comme pour les autres limitations des
vannes de régulation en termes de pression
et de température, ces valeurs de pression
diminueront au fur et à mesure que la
température augmentera. Le choix de la
conception du joint à soufet doit être
soigneusement effectué, et il doit être
régulièrement inspecté et entretenu après
l'installation. Le matériau du soufet doit être
attentivement pris en considération an
d'assurer une durée de vie optimale.
Deux types de conceptions de joint de coude
peuvent être utilisés pour les vannes de
régulation : les soufets à feuilles soudées ou
les soufets formés mécaniquement.
La conception à feuilles soudées (Figure 3.18)
est caractérisée par une hauteur totale
réduite de l'ensemble de garniture. La durée
de vie peut être limitée en fonction des
méthodes de fabrication et de la conception.
Figure 3.18 Soufet à feuilles soudées
La conception formée mécaniquement
(Figure 3.19) est plus grande, et elle est
produite selon un processus de fabrication
plus facile à reproduire, ce qui lui permet
d'être plus able. n
Figure 3.19 Soufets formés par action mécanique
3.4 Garniture des vannes de régulation
La plupart des vannes de régulation sont
équipées de boîtes de garniture retenus et
ajustés par une bride et des boulons (illustrés
à la Figure 3.26). Différents matériaux
peuvent être utilisés pour la garniture, en
fonction des conditions de service prévues et
si l'application doit répondre à des normes en
matière de protection de l'environnement. De
brèves descriptions et des indications quant
aux conditions de fonctionnement pour
différents matériaux communément utilisés,
ainsi que des dispositions type du matériel de
garniture, sont illustrées à la Figure 3.20.
3.4.1 Bague en V en PTFE
Matière plastique présentant des
capacités propres aptes à minimiser la
friction.
Bagues en V moulées comprimées par un
ressort et auto-réglables dans la boîte à
garniture. Il n'est pas nécessaire de
lubrier la garniture.
Résistante à la plupart des produits
chimiques connus, sauf le métal alcalin en
fusion.
Nécessite une nition de la tige extrêmement lisse (de 2 à 4 micro-pouces RMS)
pour assurer une bonne étanchéité.
Présentera des fuites si la surface de la
tige ou de la garniture est endommagée.
Limites de la température recommandées : de -40 à 232°C (de -40 à 450°F)
61
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Bague en V TFE standard Dispositions de garniture en graphite
Simple Double Fuite
1. Segment racleur
supérieur
2. Support de garniture
3. Adaptateur femelle
4. Bague en V
5. Adaptateur mâle
6. Rondelle
7. Ressort
8. Boîte de garniture
9. Segment racleur
inférieur
Emplacement de la
rondelle sacrificielle
en zinc, si nécessaire.
1
1. Bague filament
2. Lanterne
3. Bague laminée
1
1
1
1
1
2
2
2
3
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Figure 3.20 Disposition du matériel de garniture pour les corps de vanne à robinet
Non adaptée au service nucléaire, car le
PTFE est facilement détruit par les
radiations.
pées aux États-Unis, dénissent la détection
des fuites et les programmes de réparation
(LDAR). Les vannes et les pompes ont été
identiées comme les principales sources
3.4.2 Graphite laminée et lament
Adaptée au service nucléaire à haute
température ou lorsqu'une faible teneur
en chlorure est souhaitable (Grade GTN).
Assure un fonctionnement sans fuites,
une grande conductivité thermique, une
grande durée de vie, mais produit une
friction importante sur la tige et donc
l'hystérésis.
Inattaquable par la plupart des uides
difciles à manipuler et par les radiations
élevées.
Plage de température adaptée :
températures cryogéniques jusqu'à
-198°C (-325°F)
La lubrication n'est pas nécessaire, mais
une extension de chapeau ou une arcade
en acier doivent être utilisées lorsque la
température de la boîte à garniture
dépasse 427°C (800°F).
3.4.3 Exigences règlementaires américaines pour les émissions fugitives
Les émissions fugitives sont des émissions
organiques volatiles sans source précise,
générées par les fuites de l'équipement du
procédé. Aux États-Unis, il a été estimé que
les fuites de l'équipement atteignent plus de
400 millions de livres par an. Des règlementations gouvernementales strictes, dévelop-
62
d'émissions fugitives. Pour les vannes, ces
fuites vers l'atmosphère sont dues aux
défaillances des garnitures et des joints.
Les programmes LDAR demandent à
l'industrie de surveiller toutes les vannes (de
régulation et autres) à intervalles réguliers,
dénis en pourcentage de vannes qui
présentent des fuites au-delà du niveau seuil
de 500 ppmv (certaines villes appliquent des
critères à 100 ppmv). Ce niveau de fuite est si
faible que vous ne pouvez ni le voir, ni
l'entendre. L'utilisation d'un équipement de
surveillance sophistiqué portable est
nécessaire à cette détection. La détection est
effectuée en « reniant » la zone de la
garniture de vanne an d'identier les
éventuelles fuites suivant un protocole établi
par l'Agence de protection environnementale
(Environmental Protection Agency, EPA). Ce
processus est coûteux et contraignant pour
l'industrie.
La règlementation permet de prolonger la
période de surveillance d'un an s'il est prouvé
que le système ne présente qu'un pourcentage très faible de vannes qui fuient (moins
de 0,5% du parc de vannes total). La
possibilité de prolonger la fréquence des
mesures est illustrée à la Figure 3.21.
Les systèmes de garniture conçus selon les
exigences de fuites extrêmement faibles
prolongent également la durée de vie de
l'ensemble de garnitures, ainsi que ses
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
< 2%, 500 ppm
> 2%, 500 ppm
> 1%, 500 ppm < 1%, 500 ppm
> 0.5%, 500 ppm < 0,5%, 500 ppm
LDAR mensuel
Plan d'amélioration
de la qualité
LDAR trimestriel
LDAR semestriel
LDAR annuel
performances, ce qui permet d'atteindre
l'objectif de la surveillance annuelle. Le
système de garniture ENVIRO-SEAL en est un
exemple. Ses joints spéciaux incorporent
quatre principes de conception clé : la
retenue du matériau souple du joint grâce à
un composant anti-extrusion, le bon
alignement de la tige de vanne ou de l'arbre
dans l'orice du chapeau (en appliquant une
contrainte constante sur la garniture grâce à
des ressorts Belleville), et la minimisation du
nombre de joints d'étanchéité an de réduire
la consolidation, la friction et la dilatation
thermique.
Le processus de sélection de vanne habituel
consistait à choisir le type de vanne en
fonction de ses capacités en termes de
pression et de température, des caractéristiques du débit et de la compatibilité du
matériau. Le choix du type de garniture de la
tige de vanne reposait principalement sur la
température de fonctionnement dans la
région de la boîte à garniture. Parmi les
matériaux disponibles guraient le PTFE pour
les températures inférieures à 93°C (200°F) et
la graphite pour les applications à des
températures plus élevées.
Aujourd'hui, le choix du système de garniture
d'une vanne est devenu bien plus compliqué,
et ce pour différentes raisons.
3.4.4 Normes globales en matière d'émissions fugitives
ISO 15848 est une norme de l'Organisation
internationale de standardisation (ISO) qui
traite des mesures, essais et procédures de
qualication des émissions fugitives des
vannes industrielles. ISO 15848-1 est un
système de classement et de qualication
pour les essais de type des vannes, rédigé
pour permettre de classer les performances
de différents types d'émissions fugitives et de
dénir les essais de type permettant d'évaluer
et de qualier les vannes lorsque les normes
sur les émissions fugitives sont spéciées.
Les essais de type sont des essais de
qualication effectués sur un type de vanne
et de système de garniture ; la qualication
obtenue est ensuite appliquée à toutes les
vannes produites conformément à cette
conception de garniture. Les essais de type se
distinguent des essais sur la production de la
norme ISO 15848-2, qui est un essai de
qualication effectué au moment de
l'assemblage et qui peut être dicté pour plus
d'un ensemble de vanne.
La norme ISO 15848-1 traite aussi bien des
vannes de régulation que des vannes
d'isolement (marche/arrêt). Les exigences du
cycle mécanique des deux types de vanne
diffèrent, comme la montre la Figure 3.22.
Les cycles mécaniques sont effectués à 10%
de la course complète, dans les deux sens, à
50% de la position de course pour les vannes
de régulation et sur la course complète pour
les vannes d'isolement.
Comme les autres normes sur les émissions
fugitives, la norme ISO 15848-1 dénit en
essai de qualication qui comprend plusieurs
combinaisons de classes de fuite et de cycles
mécaniques. Il existe plusieurs différences
notables entre la norme ISO 15848-1 et les
exigences gouvernementales d'origine
américaine, telles que LDAR et la norme ANSI/
FCI 91-1 pour la qualication des joints des
tiges de vannes de régulation.
Figure 3.21 Fréquence de mesure pour les vannes de contrôle de produits chimiques organiques volatiles (VOC)
63
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Type de
Classe du cycle
vanne
Vanne de
régulation
Vanne
d’isole-
ment
Figure 3.22 Exigences pour la qualication ISO 15848-1
mécanique
CC1 20 000 2
CC2 60 000 3
CC3 100 000 4
CO1 205 2
CO2 1 500 3
CO3 2 500 4
Cycles
mécaniques
requis
Tem p.
Cycles
La norme ANSI/FCI 91-1 demande la
« méthode du reniage », conformément à la
méthode EPA 21 pour une concentration
relevée en « ppm » et prévoit 100ppm et
500ppm pour différentes classes de cycle,
comme le montre la Figure 3.25.
La norme ISO 15848-1 spécie les méthodes
de mesure par le vide ou le rinçage « fuite
totale » décrites à l'Annexe A de la norme.
La fuite est enregistrée sous forme de taux de
fuite par taille de tige mesurée. Aucune de
ces méthode ne peut être rattachée à la
méthode EPA 21 (reniage) et la norme ISO
15848-1 indique qu'aucune corrélation n'est
prévue entre les classes d'étanchéité lorsque
le uide d'essai est l'hélium et le méthane.
Voir les gures 3.23 et 3.24.
Taux de fuite mesuré (Annexe A)
ISO 15848-1
Étanchéité aux fuites
Classes
AH < 10
BH < 10
CH < 10
Remarque : La classe de fuite A est généralement atteinte
uniquement avec la conception à soufets.
Remarque : Les classes de fuite sont marquées « BH » ou « BM », etc.
pour indiquer le uide d'essai. « H » indique que l'essai a été effectué
à l'hélium, conformément à la méthode de dénition du taux de
fuite. « M » indique que l'essai a été effectué du méthane, selon la
méthode EPA 21.
Figure 3.23 Taux de fuite mesuré ISO 15848-1
mg.s-1.m-1
du périmètre
de la tige
-5
< 1,76x10
-4
-2
atm.cm3.s-1.
mm-1 de
diamètre de la tige
-7
< 1,76x10-6
-4
< 1,76x10
ISO 15848-1 Classes
d'étanchéité aux
fuites
AM < 50ppm
BM < 100ppm
CM < 500ppm
Remarque : La classe de fuite A est généralement atteinte
uniquement avec la conception à soufets.
Remarque : Les classes de fuite sont marquées « BH » ou « BM », etc.
pour indiquer le uide d'essai. « H » indique que l'essai a été effectué
à l'hélium, conformément à la méthode de dénition du taux de
fuite. « M » indique que l'essai a été effectué du méthane, selon la
méthode EPA 21.
Figure 3.24 Concentration de fuite mesurée ISO 15848-1
Concentration de fuite mesurée
(Annexe B Méthode du reniage,
conformément à la méthode EPA 21)
Aujourd'hui, le choix du système de garniture
d'une vanne est devenu bien plus compliqué,
et ce pour différentes raisons.
Les exigences en termes de contrôle des
émissions (comme la loi Clean Air Act aux
États-Unis et la norme ISO 15848 au niveau
mondial) établissent par exemple des
restrictions plus importantes sur les
performances d'étanchéité. Les demandes
constantes de meilleur rendement du
procédé impliquent que le système de
garniture de la vanne ne doit pas porter
préjudice aux performances de la vanne. Et
aujourd'hui, la tendance à établir des
programmes de maintenance étendus
exigent que les systèmes de garniture des
vannes assurent l'étanchéité requise sur de
plus longues périodes.
Au vu du grand nombre d'applications des
vannes et des conditions de service dans
l'industrie, ces variables (capacité d'étanchéité, niveaux de friction durant le fonctionnement, durée de vie) sont difciles à quantier
et comparer. Les Figures 3.31 et 3.32 utilisent
une approche ingénierisée an de proposer
une évaluation relative de l'applicabilité et des
performances de la garniture. Mais avant
tout, la compréhension des tableaux entend
la clarication des noms commerciaux.
3.4.5 Garniture de bague en V simple en PTFE
La bague en V simple en PTFE utilise un
ressort hélicoïdal entre la garniture et la
bague de la boîte à garniture. Elle répond au
critère 100 ppmv pour les vannes à tige
montante, en partant du principe que la
64
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Classe
A1 100 000 3 100 ppm
A2 100 000 3 500 ppm
B1 25 000 3 100 ppm
B2 25 000 3 500 ppm
Figure 3.25 Récapitulatif de la classe de fuite FCI 91-1
pression ne dépasse pas 300 psi (20,7 bar) et
que la température est comprise entre -18°C
Cycles mécaniques
(100% course complète)
Cycles thermiques
bien sur les vannes à tige montante que sur
les vannes rotatives. Voir la Figure 3,27.
Fuite du joint de tige maximum
pour la méthode EPA 21
et 93°C (0°F et 200°F). La garniture par bague
en V simple en PTFE ne répond pas aux
critères d'émissions faibles des vannes
rotatives. Elle offre de très bonnes performances en termes d'étanchéité et une friction
minimum durant le fonctionnement. Voir la
Figure 3,26.
3.4.7 Garniture ENVIRO-SEAL Duplex
Ce système de garniture spécial associe les
capacités des composants en PTFE et en
graphite pour assurer une faible friction, de
faibles émissions, une solution testée contre
les incendies (norme API 589) pour les
applications dans les procédés dont la
température peut atteindre 232°C (450°F)
pour les vannes à tige montante. Les vannes
rotatives ne sont pas disponibles équipées de
la garniture ENVIRO-SEAL Duplex. Voir la
Figure 3,28.
3.4.8 Garniture ISO-Seal PTFE
Ce système de garniture est conçu pour les
pression qui dépassent la capacité de la
garniture ENVIRO-SEAL PTFE pour le service
respectueux de l'environnement. Il est
disponible pour les vannes à tige montante et
les vannes rotatives.
Figure 3.26 Garniture à bague en V en PTFE
3.4.6 Garniture ENVIRO-SEAL PTFE
Le système de garniture ENVIRO-SEAL PTFE
est une méthode de garniture avancée qui
utilise un ressort compact surchargé adapté
aux applications respectueuses de l'environnement jusqu'à 750 psi et 232°C (51,7 bar et
450°F). Si l'on pense généralement qu'il s'agit
d'un système de garniture qui réduit les
émissions, la garniture ENVIRO-SEAL PTFE est
également adaptée aux applications qui n'ont
pas d'exigences environnementales mais une
température et une pression élevées, avec
l'avantage d'une durée de vie prolongée aussi
3.4.9 ENVIRO-SEAL Graphite ULF
Ce système de garniture est principalement
conçu pour les applications respectueuses de
l'environnement et les températures
supérieures à 232°C (450°F). Le système de
garniture breveté ULF incorpore de très nes
couches de PTFE dans les bagues de la
garniture, ainsi que des rondelles en PTFE des
deux côtés des bagues de garniture. Cette
disposition stratégique du PTFE minimise les
problèmes de contrôle, réduit la friction,
améliore l'étanchéité et prolonge la durée de
vie de l'ensemble de garniture. Voir la
Figure 3,29.
65
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Support de garniture
(acier inoxydable)
Lanternes
(acier inoxydable)
Bague anti-extrusion
(garni de PTFE)
Anneau d'étanchéité
(PTFE)
Bague anti-extrusion
(garni de PTFE)
Ressorts
(N07718-Inconel 718)
Rondelles
anti-extrusion
Bague d'assise
de garniture
(acier inoxydable)
Ensemble de
garniture
d'étanchéité
à ressort
Fouloir
Fouloir
Rondelles
de garniture
Douille
Kit de garniture
PTFE-Carbone/PTFE
Lanternes
Garniture
d'étanchéité
en graphite
Anneau
d'étanchéité
Lubrifiant anti-usure
Ensemble de garniture
à ressort
Rondelle de guidage
Rondelle de garniture
Rondelle de guidage
Axe
Écrou de garniture
Bride de garniture
Bague de garniture
Bague de garniture
Bague d'assise
de garniture
Figure 3.27 Système de garniture ENVIRO-SEAL PTFE
Figure 3.28 Système de garniture ENVIRO-SEAL Duplex (PTFE et Graphite)
Figure 3.29 Système de garniture ENVIRO-SEAL Graphite ULF
66
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
3.4.10 HIGH-SEAL Graphite ULF
Identique au système de garniture ENVIRO-SEAL graphite ULF, sous le fouloir de
garniture, le système HIGH-SEAL utilise des
ressorts Belleville de grand diamètre pour
service intensif. Ces ressorts assurent une plus
grande course du fouloir, et ils peuvent être
préparés avec une échelle de charge an de
donner une indication visuelle de la charge et
de l'usure de la garniture.
3.4.11 Garniture ISO-Seal Graphite
Ce système de garniture est conçu pour les
températures qui dépassent les capacités de
la garniture ENVIRO-SEAL Graphite ULF. Il
peut être utilisé de -46 à 400°C (-50 à 752°F)
pour le service respectueux de l'environnement. Il est disponible pour les vannes à tige
montante et les vannes rotatives.
3.4.12 ENVIRO-SEAL Graphite pour vannes rotatives
La garniture ENVIRO-SEAL graphite est
conçue pour les applications respectueuses
de l'environnement de -6 à 316°C (20 à 600°F)
ou pour les applications où la prévention des
incendies est un élément important. Elle peut
être utilisée avec une pression allant jusqu'à
1500 psi (103 bar) en répondant au critère de
fuite 100 ppmv EPA. La garniture peut être
utilisée jusqu'à 371°C (700°F) si elle est
utilisée dans les applications où le respect de
l'environnement n'est pas une limite. Voir la
Figure 3,30.
3.4.13 Ruban en graphite pour les vannes rotatives
La garniture par ruban de graphite est conçue
pour les applications où le respect de
l'environnement n'est pas une limite, sur une
vaste plage de température, de -198 à 538°C
(-325 à 1000°F).
3.4.14 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour la tige montante
La Figure 3.31 compare différentes sélections
de garnitures à tige montante et un
classement relatif des performances du joint,
de la durée de vie et de la friction de la
garniture pour les applications respectueuses
de l'environnement. Le lament en graphite
tressé et le double PTFE ne sont pas des
solutions acceptables pour une étanchéité
respectueuse de l'environnement.
3.4.15 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour les vannes rotatives
La Figure 3.32 s'applique aux vannes
rotatives. Dans le cas des vannes rotatives, les
dispositions de garniture en PTFE simple et
ruban de graphite ne sont pas aussi performantes que les solutions d'étanchéité aux
émission fugitives.
Le contrôle des émissions fugitives de la
vanne et la réduction des frais encourus par
l'industrie pour se conformer aux règlementations sont possibles grâce à ces technologies
d'étanchéité de la tige.
Si les systèmes de garniture ENVIRO-SEAL ont
été spéciquement conçus pour les
applications des émissions fugitives, ces
technologies devraient également être prises
en considération pour toutes les applications
où les performances du joint et sa durée de
vie constituent un problème ou une difculté
du point de vue des frais de maintenance.
n
Figure 3.30 Système de garniture ENVIRO-SEAL Graphite pour
vannes rotatives
3.5 Caractérisation des corps de vanne guidés par une cage
Dans les corps de vanne dont l'équipement
interne est guidé par une cage, la forme des
ouvertures pour le débit ou les fenêtres de la
paroi de la cage cylindrique déterminent la
caractérisation du débit. Au fur et à mesure
67
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Limites maximum de pression et de
Système de garniture
Bague en V simple
en PTFE
JOINT ENVIRO PTFE
Joint ISO PTFE
Joint ENVIRO Duplex
JOINT ENVIRO
Graphite ULF
Joint ISO Graphite
1. Les valeurs ne sont fournies qu'au titre d'indication. Ces indications peuvent être dépassées, mais cela pourrait écourter la durée de vie de la garniture
ou augmenter les fuites. Les valeurs de température sont applicables à la température de la garniture réelle, non pas à celle du procédé.
température pour le fonctionnement
respectueux de l'environnement
Habituel aux
États-Unis
300 psi
0 à 200°F
750 psi
de -50 à 450°F
6000 psig
-50 à -450°F
750 psi
-50 à -450°F
1500 psi
20 à 600°F
3365 psig
-50 à 752°F
-46 à 232 °C
-46 à 232 °C
-46 à 232 °C
-46 à 400 °C
Mesure
20,7 bar
-18 à 93 °C
1,7 bar
414 bar
51,7 bar
103 bar
-7 à 315 °C
232 bar
(1)
Joint
Performances
Index
Indice de durée
de service
Friction de la
Amélioration Long Très bas
Supérieur Très long Faible
Supérieur Très long Faible
Supérieur Très long Faible
Supérieur Très long modéré
Supérieur Très long modéré
Figure 3.31 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour la tige montante
Limites maximum de pression et de
Système de garniture
JOINT ENVIRO PTFE
ENVIRO-SEAL Graphite
Joint ISO Graphite
1. Les valeurs ne sont fournies qu'au titre d'indication. Ces lignes directrices peuvent être dépassées, mais cela pourrait réduire la durée de service de la
garniture ou augmenter les fuites. Les valeurs de température sont applicables à la température réelle de la garniture, non pas à la température du
procédé.
température pour le fonctionnement
respectueux de l'environnement
Généralement aux
États-Unis
750 psi
-50 à 450°F
1500 psi
20 à 600°F
1500 psig
-50 à 752°F
-46 à 232 °C
-18 à 315 °C
-46 à 400 °C
(1)
Mesure
103 bar
103 bar
103 bar
Joint
Indice de
performances
Indice de durée
de service
Friction de la
Supérieur Très long Faible
Supérieur Très long modéré
Supérieur Très long modéré
garniture
garniture
Figure 3.32 Sélection de la garniture de vanne rotative selon l'environnement
Ouverture rapide Linéaire Égal pourcentage
Figure 3.33 Cages caractérisées pour les corps de vannes droites
68
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Diamètre de
passage
Clapet de vanne
Section
de débit
Tige
Bague
de siège
que le clapet de vanne s'éloigne de la bague de
siège, les fenêtres de la cage s'ouvrent pour
permettre au débit de s'écouler à travers la
vanne. Les cages standard ont été conçues
pour produire des caractéristiques inhérentes
au débit linéaires, à égal pourcentage et à
ouverture rapide. Une caractérisation
personnalisée peut également être disponible.
Notez les différences de forme des fenêtres de
la cage illustrées à la Figure 3.33. La relation
entre le débit et la course assurée par les
vannes qui emploient ces cages est représentée par les courbes linéaires, à ouverture
rapide ou à égal pourcentage illustrées pour
les clapets de vanne prolés (Figure 3.34).
La tige guidée par une cage permet de
modier facilement la caractéristique de
débit inhérente de la vanne en installant une
cage différente. Le remplacement des cages
pour assurer une caractéristique de débit
inhérente différente ne nécessite pas le
remplacement du clapet de vanne ou de la
bague de siège. Les cages standard illustrées
peuvent être utilisées dans les modèles à
équipement interne équilibré ou non. Un
siège souple est disponible en cas de
nécessité, sous forme d'insert dans la bague
de siège ; il est indépendant de la cage ou du
clapet de vanne choisi.
La possibilité de remplacer la cage peut être
complétée pas une conception spéciale de la
cage qui assure l'atténuation du bruit ou le
blocage de la cavitation. Ces cages prévoient
généralement une caractéristique de débit
inhérente linéaire, mais elles nécessitent que le
débit s'écoule dans un sens spécique à travers
les ouvertures de la cage. Il pourrait donc être
nécessaire de retourner le corps de vanne sur
la ligne pour obtenir le bon sens du débit.
3.5.1 Clapets de vanne caractérisés
Le clapet de vanne, la partie mobile de
l'ensemble du robinet à soupape de
régulation, assure la restriction variable du
débit de uide. Les types de clapet de vanne
sont tous conçus pour assurer une caractéristique du débit spécique, fournir une manière
dénie de guidage ou d'alignement sur la
bague de siège, ou présenter une capacité
spéciale d'arrêt ou de résistance aux
dommages.
Le prol de la surface du clapet de vanne du
côté de la bague de siège est instrumental à la
dénition de la caractéristique de débit
inhérente d'une vanne de régulation
caractérisée par le clapet. Lorsque l'actionneur
déplace le clapet de vanne sur sa plage de
course, la zone de débit non obstruée change
de taille et de forme en fonction du prol du
clapet de la vanne. Lorsqu'un pression
différentielle constante est maintenue à
travers la vanne, le rapport changeant entre le
pourcentage de la capacité de débit maximum
et le pourcentage de la plage totale de la
course peut être dessiné (Figure 3.34), et il est
désigné comme la caractéristique de débit
inhérente de la vanne.
Les caractéristiques inhérentes au débit
communément spéciées sont les caractéristiques linéaire, à égal pourcentage et
d'ouverture rapide. Elles sont décrites de
manière plus détaillée au Chapitre 5.
n
100
Ouverture rapide
Linéaire
Égal pourcentage
Coefficient de débit nominal (%)
0
Ouverture nominale (%)
Figure 3.34 Courbes des caractéristiques inhérentes au débit
100
Figure 3.35 Construction type pour assurer une caractéristiques
du débit à ouverture rapide
3.6 Guidage du clapet de la vanne
Un guidage précis du clapet de la vanne est
nécessaire au bon alignement avec la bague
de siège et au contrôle efcace du uide de
procédé. Les méthodes communément
utilisées et leur nom sont généralement
auto-descriptives.
69
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Guidage par cage : Le diamètre extérieur du
clapet de la vanne se trouve près de la surface
latérale intérieure de la cage cylindrique sur
tout le long de la plage de course. Puisque
le chapeau, la cage et la bague de siège
s'alignent automatiquement sur l'ensemble,
le bon alignement du clapet de vanne et de la
bague de siège est assuré lorsque la vanne se
ferme (Figure 3.15).
Guidage supérieur : Le clapet de la vanne est
aligné par une simple rondelle de guidage
située dans le chapeau, le corps de vanne, ou
l'ensemble de la garniture.
Guidage par la tige : Le clapet de la vanne est
aligné sur la bague de siège par une rondelle
de guidage qui se trouve dans le chapeau et
qui agit sur la tige du clapet de vanne.
Guidage supérieur et inférieur : Le clapet de
vanne est aligné par des rondelles de guidage
situées dans le chapeau et le couvercle
inférieur (voir la Figure 3.5). Cette solution est
généralement employée dans les systèmes à
deux passages.
Guidage par le passage : Le clapet de vanne
est aligné sur le passage du corps de vanne.
n
3.7 Équipement interne de la vanne de régulation à capacité restreinte
La plupart des fabricants de vannes de
régulation sont en mesure de fournir des
vannes dont l'équipement interne peut
générer une capacité réduite ou restreinte.
Un débit réduit peut être requis pour l'une
des raisons suivantes :
l'équipement interne pour capacité
restreinte permet de sélectionner un
corps de vanne sufsamment grand pour
des exigences de débit plus importantes
dans le futur, mais dont la capacité est
dimensionnée pour les besoins actuels.
Les grands corps dont l'équipement
interne prévoit une capacité restreinte
peuvent être utilisés pour réduire la
vitesse en entrée et en sortie.
Cela permet d'éviter d'acheter des
réducteurs de conduit, qui sont des
éléments coûteux.
Les erreurs de surdimensionnement
peuvent être corrigées en utilisant un
équipement interne à capacité restreinte.
Les corps de robinet à soupape traditionnels
peuvent être dotés de bagues de siège dont les
passages sont plus petits et de clapets de vanne
dimensionnés de manière à correspondre à ces
plus petits passages. Les vannes dotées d'un
équipement interne guidé par cage obtiennent
l'effet de capacité réduite en utilisant un clapet
de vanne, une cage et des pièces de la bague de
siège d'une plus petite vanne ou d'une
construction semblable et d'adaptateurs placés
au-dessus de la cage et sous la bague de siège
an d'entrer en contact avec les plus petites
pièces du corps de vanne (Figure 3.36).
L'utilisation en capacité réduite n'étant pas inhabituelle, la plupart des fabricants disposent de
combinaisons de pièces d'équipement interne
déjà prêtes à exécuter la fonction requise. n
Figure 3.36 Méthode par adaptateur pour assurer une capacité de débit réduite
3.8 Actionneurs
Les actionneurs de vanne de régulation
pneumatiques sont les plus utilisés, mais les
actionneurs électriques, hydrauliques et
manuels sont également très courants.
L'actionneur à ressort et membrane est celui
qui est le plus couramment spécié grâce à sa
dépendance et à la simplicité de sa conception. Les actionneurs à piston pneumatique
fournissent un grand rendement de la force
de la tige, pour les conditions de fonctionnement très contraignantes. Des adaptations
des actionneurs à ressort et membrane et des
actionneurs à piston pneumatique sont
disponibles pour l'application directe sur les
vannes de régulation rotatives.
3.8.1 Actionneurs à membrane
Les actionneurs à membrane pneumatique utilisent l'alimentation en air
assurée par les contrôleurs, les positionneurs ou d'autres sources.
70
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Parmi les différents types, notons : le
passage direct, où la pression de l'air
augmente de façon à pousser la
membrane vers le bas et étendre la tige
d'actionneur (Figure 3.37) ; le passage
inverse, où l'augmentation de la pression
d'air pousse la membrane vers le haut et
rétracte la tige de l'actionneur (Figure 3.37) ; réversible, où les actionneurs
peuvent être assemblés pour le passage
direct ou inverse (Figure 3.38) ; l'unité à
action directe pour les vannes rotatives,
où l'augmentation de la pression d'air
pousse la membrane vers le bas, lequel
peut ouvrir ou fermer la vanne en
fonction de l'orientation du levier de
l'actionneur sur l'arbre de vanne (voir la
Figure 3.39).
La poussée en sortie nette est la
différence entre la force de la membrane
et la force opposée par le ressort.
Les diaphragmes moulés assurent des
performances linéaires et augmentent la
course.
La poussée en sortie nécessaire et la
pression de l'alimentation en air
disponible inuent sur la taille.
Les actionneurs à membrane sont
simples, dépendants et économiques.
Figure 3.38 Actionneur à ressorts multiples inversable sur le terrain
Figure 3.39 Actionneur à membrane pour vanne rotative
Figure 3.37 Actionneur à action directe
Direct Inverse
71
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
3.8.2 Actionneurs à piston
Les actionneurs à piston sont des
dispositifs pneumatiques, qui utilisent l'air
sous haute pression du système jusqu'à
150 psig (10,3 bar), ce qui élimine
souvent le besoin de prévoir un régulateur de pression d'alimentation.
Les actionneurs à piston fournissent une
poussée en sortie maximum et de
grandes vitesses de course.
Les actionneurs à piston sont à deux
passages, an de fournir la force
maximum dans les deux directions, ou à
rappel par ressort pour les fonctions
ouvert par manque d'énergie ou fermé
par manque d'énergie (Figure 3.40).
Différents accessoires peuvent être
incorporés an de placer un piston à deux
passages, en cas de défaillance de la
pression d'alimentation, comme les
vannes à déclenchement pneumatique
ou les systèmes de verrouillage.
D'autres versions peuvent être utilisées
sur les vannes de régulation rotatives,
comme le joint à glissement sur la partie
inférieure du cylindre. Cela permet à la
tige de l'actionneur de se déplacer
latéralement, mais aussi vers le haut et le
bas, sans fuite de pression du cylindre.
Cette caractéristique permet de
raccorder directement la tige de
l'actionneur au levier de l'actionneur
monté sur l'arbre de la vanne rotative, ce
qui élimine un joint (et donc une source
de perte de mouvement).
Figure 3.41 Vanne de régulation avec actionneur à piston à
arcade Scotch
3.8.3 Actionneurs manuels
Les actionneurs manuels sont utiles là ou
le contrôle automatique n'est pas
nécessaire, mais où la facilité de
fonctionnement et le bon contrôle
manuel le sont (Figures 3.42 et 3.43). Ils
sont souvent utilisés pour actionner la
vanne de dérivation dans une boucle de
dérivation à trois vannes autour des
vannes de régulation, an de contrôler
manuellement le processus durant les
opérations de maintenance ou l'arrêt du
système automatique.
Les actionneurs manuels sont disponibles
en différentes tailles pour les robinets à
soupape et les vannes rotatives.
Des dispositifs à cadran indicateur sont
disponibles pour certains modèles, an
de permettre de repositionner précisément le clapet de vanne ou le disque.
Les actionneurs manuels sont bien plus
économiques que les actionneurs
automatiques.
Figure 3.40 Vanne de régulation avec actionner à piston à
deux passages
72
Figure 3.42 Actionneur manuel pour les vannes à tige montante
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 3 : Types de vannes et d'actionneurs
Figure 3.43 Actionneur manuel pour les vannes rotatives
3.8.4 Actionneurs à rack et pignon
Les modèles à rack et pignon sont une
solution compacte et économique pour les
vannes rotatives (Figure 3.44). Au vu du jeu
entre-dents, ils sont généralement utilisés
pour les applications marche/arrêt, où la
variabilité du procédé n'est pas un élément
clé.
3.8.5 Actionneurs électriques
Les modèles d'actionneurs électriques
emploient un moteur électrique ou une
forme de réduction de pallier pour déplacer le
clapet de vanne (Figures 3.45 et 3.46). Si les
actionneurs électriques se limitaient
traditionnellement à un fonctionnement
marche/arrêt, ils sont aujourd'hui en mesure
d'effectuer un contrôle continu. L'utilisation
de moteurs sans balais dans les actionneurs
électriques peut réduire ou éliminer les
ruptures du moteur associées à l'allumage et
à l'arrêt rapide de celui-ci. Le prix d'achat
initial tend cependant à rester supérieur à
celui de l'actionnement pneumatique.
L'actionnement électrique est principalement
utilisé dans les situations où l'air instrument
n'est pas immédiatement disponible, ou
lorsque la quantité de vannes présentes ne
justie pas le coût d'un système de compres-
seur. n
Figure 3.44 Actionneur à rack et pignon
Figure 3.45 Actionneur électrique pour vanne àtige montante
Figure 3.46 Actionneur électrique pour vanne rotative
73
Chapitre 4
Accessoires pour vannes de régulation
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Aujourd'hui, les systèmes de contrôle
modernes utilisent le signalement
électronique pour commander l'ouverture,
la fermeture ou l'étranglement de la vanne.
De plus, ces systèmes utilisent des signaux
de retour de position et des informations
diagnostiques pour valider le fonctionnement
de la vanne de régulation. Enn, les attentes
en termes de performances des vannes de
régulation en termes de vitesse de réponse,
de précision, de stabilité, de abilité et de
sécurité varient en fonction des besoins
du contrôle de procédé. Les vannes de
régulation étant installées sur des systèmes
très différents et uniques, elles ont besoin
d'accessoires. Les accessoires sont la grande
catégorie d'instruments qui sont directement
liés à un ensemble de régulation.
Il existe cinq raisons de base à l'ajout
d'instrumentation et d'accessoires à une
vanne de régulation.
Amélioration du contrôle du procédé
Amélioration de la sécurité du procédé ou
du personnel
Amélioration des performances de la
vanne ou de la vitesse de réponse
Surveillance ou vérication de la capacité
de réponse de la vanne
Diagnostic des éventuels problèmes de
la vanne
4.1 Considérations en termes d'environnement et d'application
Les installations industrielles, les
usines, les exploitations minières et les
moulins travaillent dans des conditions
environnementales difciles, au vu de leur
emplacement géographique et des processus
qu'implique la fabrication de leurs produits.
Il en résulte que les vannes et les instruments
de ces installations doivent être robustes et
ables.
La température ambiante à laquelle
l'instrumentation est soumise peut varier de
-60 à 125°C (-76 à 257°F). Les atmosphères
corrosives, comme l'eau salée et l'exposition
à des produits chimiques, peut requérir
l'usage d'acier inoxydable ou de matériaux
en résine de construction ingénierisée. Les
vibrations intenses peuvent nécessiter un
montage résistant, des mécanismes internes
robustes ou des capacités de montage à
distance. Un niveau d'humidité élevé peut
provoquer la corrosion, c'est pourquoi
les composants électroniques pourraient
devoir être protégés. Les emplacements
dangereux, présentant des atmosphères
gazeuses ou poussiéreuses, peuvent requérir
une instrumentation conçue en appliquant
des mesures de protection, comme les
caractéristiques ignifuges, anti-déagration,
anti-incendiaire ou la sécurité intrinsèque.
Ces conditions environnementales et
d'application doivent être prises en compte
lors du choix des accessoires de la vanne de
régulation.
4.2 Positionneurs
L'un des accessoires communs d'une vanne
de régulation est le contrôleur de position
de la vanne, également appelé positionneur.
La fonction fondamentale d'un positionneur
consiste à fournir de l'air sous pression à
l'actionneur de la vanne, de façon à ce que la
position de la tige de vanne corresponde au
point de consigne du système de contrôle.
Les positionneurs sont généralement
employés lorsque la vanne a besoin d'une
action d'étranglement. Un positionneur
nécessite un retour de position de la part
de la tige de vanne ou de l'arbre, et il fournit
la pression pneumatique nécessaire à
l'actionneur pour ouvrir et fermer la vanne.
Le positionneur doit être monté sur ou à
proximité de l'ensemble de régulation.
Il existe trois catégories principales de
positionneurs, en fonction du type de signal
de contrôle, de la capacité de diagnostic et du
protocole de communication.
4.2.1 Positionneurs pneumatiques
La première catégorie de positionneurs est
celle des positionneurs pneumatiques. Les
unités de procédé existantes peuvent utiliser
la signalisation de la pression pneumatique
comme point de consigne de contrôle
des vannes de régulation. La pression est
généralement modulée entre 20,7 et 103 kPa
(3 à 15 psig) pour actionner la vanne de 0 à
100% de sa position.
Dans une conception commune à
positionneur pneumatique
75
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Sortie à la
membrane
Relais
Alimentation
Axe entrée
Cames
Instrument
Soufflets
Axe de retour
Pivot
Buse
Ensemble
clapet à battant
Quadrant
action directe
Figure 4.1 Conception type de positionneur simple effet
(Figure 4.1), la position de la tige ou de l'arbre
de vanne est comparée à la position d'un
soufet qui reçoit le signal de contrôle
pneumatique. Lorsque le signal en entrée
augmente, le soufet se détend et actionne
un faisceau. Le faisceau pivote sur un axe
d'entrée, lequel déplace un battant plus près
de la buse. La pression de la buse augmente,
ce qui augmente la pression à la sortie, vers
l'actionneur, à travers un relais d'amplication
pneumatique. La pression de sortie
augmentée acheminée vers l'actionneur
provoque le déplacement de la tige de vanne.
Le mouvement de la tige revient vers le
faisceau via une came. Lorsque la came
tourne, le faisceau pivote sur l'axe de retour
an de séparer légèrement le battant de la
buse. La pression de buse diminue et réduit la
pression à la sortie, vers l'actionneur. Le
mouvement de la tige continue, détachant le
battant de la buse jusqu'à ce que l'équilibre
soit atteint.
Lorsque le signal en entrée diminue, le
soufet se comprime (aidé par un ressort
de réglage interne) et le faisceau pivote
autour de l'axe d'entrée an de séparer le
battant de la buse. La pression de la buse
diminue et le relais permet de relâcher la
pression de l'enveloppe de la membrane
vers l'atmosphère, ce qui permet à la tige de
Faisceau
Quadrant action
inverse
l'actionneur de monter. À travers la came, le
mouvement de la tige revient vers le faisceau
an de remettre le battant en place, plus près
de la buse. Lorsque les conditions d'équilibre
sont atteintes, le mouvement de la tige
s'arrête et le battant est placé de manière à
éviter une nouvelle réduction de la pression
de l'actionneur. Voir la Figure 4.1.
4.2.2 Positionneurs analogiques I/P
Le second type d'actionneur est l'actionneur
analogique I/P. Les unités de traitement plus
modernes utilisent un signal de 4 à 20 mA
CC pour moduler les vannes de régulation.
Il amène l'électronique dans la conception
du positionneur et demande à ce dernier de
convertir le signal de courant électronique
en un signal de pression pneumatique (de
courant à pneumatique, ou I/O).
Dans un positionneur analogique type (voir
la Figure 4.2), le convertisseur reçoit un
signal CC en entrée et transmet un signal
de sortie pneumatique proportionnel via la
disposition de la buse et du battant. Le signal
pneumatique de sortie transmet le signal en
entrée du positionneur pneumatique. Pour le
reste, la conception est la même que celle du
positionneur pneumatique.
76
Convertisseur
Alimentation
Sortie vers
actionneur
Relais
Bras arbre
rotatif
Pivot
Ensemble clapet à battant
Quadrant à action inverse
À soufflets
Axe de retour
Buse
Faisceau
Quadrant à
actionnement
direct
Axe d'entrée
Cames
Signal pneumatique
du convertisseur
Signal d'entrée 4-20 mA
-
+
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Figure 4.2 Conception type de positionneur numérique I/P simple
effet
4.2.3 Contrôleurs numériques de vanne
Si les positionneurs pneumatiques et I/P
analogiques assurent le contrôle de base
de la position de la vanne, les contrôleurs
numériques de vanne ajoutent une autre
dimension aux capacités du positionneur. Ce
type de positionneur est un instrument basé
sur microprocesseur. Le microprocesseur
permet d'effectuer un diagnostic et d'assurer
la communication en deux sens an de
simplier le paramétrage et la résolution des
problèmes.
Dans un contrôleur numérique de
vanne, le signal de contrôle est lu par le
microprocesseur, traité par un algorithme
numérique et converti dans en signal de
courant d'entraînement au convertisseur
I/P. Le microprocesseur exécute l'algorithme
de contrôle de position au lieu d'utiliser
l'ensemble mécanique du faisceau, de la
came et du battant. Au fur et à mesure
que le signal de contrôle diminue, le signal
d'entraînement vers le convertisseur I/P
augmente, augmentant la pression de
sortie du convertisseur I/P. Cette pression
est acheminée vers un relais d'amplicateur
pneumatique et produit deux pressions de
sortie vers l'actionneur. Avec l'augmentation
du signal de contrôle, une pression à la
sortie augmente toujours, tandis que l'autre
pression de sortie diminue.
Figure 4.3 Contrôleur numérique de vanne monté sur une vanne
de régulation
Les actionneurs double effet utilisent les deux
sorties, tandis que les actionneurs simple
effet n'en utilisent qu'une. Le changement de
pression à la sortie provoque le mouvement
de la tige ou de l'arbre de l'actionneur.
La position de la vanne est indiquée au
microprocesseur. La tige continue son
mouvement, jusqu'à ce qu'elle atteigne
la bonne position. Le microprocesseur
stabilise alors le signal d'entraînement au
convertisseur I/P, jusqu'à ce que l'équilibre
soit atteint.
Outre la fonction de contrôle de position de
la vanne, un contrôleur numérique de vanne
dispose de deux fonctions supplémentaires :
le diagnostic et la communication numérique
dans les deux sens.
4.2.3.1 Diagnostic
Le microprocesseur qui se trouve dans le
contrôleur numérique de vanne permet
au positionneur d'effectuer des tests
de diagnostic, de les analyser et de les
mémoriser.
Les informations de diagnostic sont utiles
pour dénir l'état de santé de l'ensemble
de régulation. À l'aide de capteurs de
pression, de capteurs de température, de
capteurs de course et de lecture interne,
des représentations graphiques des
performances de la vanne de régulation et de
77
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
sont état de santé sont créées et les actions
conseillées sont présentées. Ces informations
sont ensuite utilisées pour identier les
éléments de l'ensemble de régulation qui
peuvent avoir besoin de maintenance.
4.2.3.2 Communication numérique dans les deux sens
Le microprocesseur qui se trouve dans le
contrôleur numérique de vanne permet
également au positionneur de communiquer
avec le système de contrôle via un signal
numérique. Cela permet au contrôleur
numérique de vanne de fournir un retour
supplémentaire, comme la course réelle de
la vanne, et de transmettre des alertes de
diagnostic au système de contrôle.
L'un des protocoles les plus utilisés est la
communication HART
®
. La communication
HART utilise un signal numérique superposé
sur le signal de contrôle traditionnel de 4 à
20 mA CC. Ce protocole de communication
permet d'utiliser le système hôte pour
congurer, étalonner et surveiller l'état de
santé du positionneur. La communication
HART offre à la fois les avantages de la
communication et la familiarité du système
de contrôle de 4 à 20 mA.
FOUNDATION
™
eldbus est un autre
protocole standard de l'industrie. Il s'agit
d'un protocole numérique, c'est-à-dire que
le signal de contrôle (point de consigne) est
numérique, et non pas un courant de 4 à 20
mA CC. Comme la communication HART,
le système hôte peut également être utilisé
pour congurer, étalonner et surveiller le
positionneur.
PROFIBUS est également un protocole
commun dans l'industrie pour la
communication numérique. La couche
physique de PROFIBUS et FOUNDATION
eldbus est la même, mais les protocoles de
communication sont différents et chacun a
ses avantages propres.
La technologie sans l propose une méthode
supplémentaire pour communiquer des
informations entre le système de contrôle
et le contrôleur numérique de vanne. Pour
les positionneurs sans l, les informations
numériques peuvent être transmises
indépendamment du câble du système de
contrôle.
4.3 Transducteurs I/P
Dans certaines applications, le haut niveau
de précision de positionnement assuré
par un positionneur n'est pas nécessaire.
Dans ces applications, un transducteur
électro-pneumatique (I/P) peut être utilisé.
Un transducteur I/P (Figure 4.4) utilise un
module convertisseur qui convertit une
entrée de courant de 4 à 20 mA en une
sortie de pression proportionnelle. Un relais
amplicateur pneumatique interne assure la
capacité nécessaire pour fournir une pression
de sortie à l'actionneur numérique de vanne.
Le retour de la vanne n'est pas prévu et la
capacité de réponse est très rapide.
Figure 4.4 Transducteur monté sur une vanne de régulation
4.4 Amplicateurs de volume
Les positionneurs et les transducteurs
I/P sont conçus pour fournir une capacité
pneumatique de sortie sufsante pour
entraîner une vanne de régulation à
étranglement. Toutefois, certaines
applications nécessitent des vitesses de
course plus rapides. Lorsque le volume de
l'actionneur est trop grand, la vitesse de
positionnement de la réponse peut devenir
un gros problème.
78
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Alimentation
Les amplicateurs de volume sont utilisés
pour fournir une plus grande capacité
pneumatique de sortie à un ensemble
de vanne (Figure 4.5). Un changement
important et soudain du signal en entrée
(pression de sortie du positionneur) provoque
un différentiel de pression entre le signal en
entrée et la sortie de l'amplicateur. Lorsque
cela se produit, les diaphragmes se déplacent
vers le passage d'alimentation ou le passage
d'évacuation, celui des deux qui permet
Membranes
Échappement
Orifice
d'échappement
Alimentation
de réduire le différentiel. Le passage reste
ouvert tant que la différence entre l'entrée
de l'amplicateur et la pression de sortie
se trouve dans la limite de bande morte de
l'amplicateur.
Lorsque la restriction de dérivation est ajustée
pour assurer un fonctionnement stable, les
signaux de faible magnitude et changements
de taux passent à travers la restriction de
dérivation et dans l'actionneur, sans démarrer
l'amplicateur. Les passages d'alimentation
Entrée de signal
Vis d'ajustement
de restriction
de dérivation
Restriction de
dérivation
Passage
d’alimentation
Sortie vers
l'actionneur
Figure 4.5 Vue de la tranche d'un amplicateur de volume
Raccord en té
de conduit
Rondelle de
conduit
Corps
Protecteur
de corps
Raccord de
diagnostic
en option
Figure 4.6 Installation type d'un amplicateur avec actionneur simple effet
Amplificateur
de volume
Raccordement
de tuyauterie
Positionneur
Actionneur
Régulateur
de pression
Sortie de
positionneur
Signal
79
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
et d'évacuation restent fermés, ce qui évite la
consommation excessive d'air et la saturation
des relais des positionneurs.
Les actionneurs simple effet utilisent
généralement un amplicateur de volume
(Figure 4.6). Les actionneurs double effet
nécessitent au moins deux amplicateurs de
volume, un pour alimenter chaque côté du
piston de l'actionneur. Certaines applications,
comme le système anti-surtension du
compresseur ou la dérivation de la turbine,
peuvent nécessiter d'autres amplicateurs de
volume pour assurer le volume pneumatique
nécessaire à une réponse rapide de la vanne.
4.5 Systèmes instrumentés de sécurité (SIS)
L'objectif premier d'une vanne de régulation
est de moduler le débit de liquide ou de gaz
dans un conduit qui fait partie d'une boucle
de contrôle du procédé. Ces mêmes boucles
de procédé comprennent un évent d'urgence,
un dispositif de blocage ou des vannes
d'isolement. Ces vannes sont généralement
des vannes marche/arrêt qui sont utilisées
pour placer la boucle de procédé dans un
état sécurisé en cas d'urgence de contrôle du
procédé (Figure 4.7). Un système de sécurité
supplémentaire, comme un solveur logique,
contrôle ces vannes.
4.5.1 Essais de course partielle
Les vannes de sûreté étant statiques et ne
modulant pas dans des conditions normales,
elles peuvent coller. Lorsqu'une demande
d'urgence se produit, il existe un risque
que les vannes ne bougent pas quand elles
doivent le faire. Pour mitiger ce risque, un
contrôleur numérique de vanne peut être
utilisé comme dispositif d'essai de course
partielle.
L'une des fonctions importantes de
l'instrument vise à mettre régulièrement la
vanne en fonction. Ceci est effectué par un
essai de course partielle (partial stroke test,
PST). Le PST déplace lentement la vanne sur
une partie de sa course totale, puis revient à
son état normal. Cela exerce les dispositions
mécanique de la vanne de sûreté, avec
une interruption minime de la boucle de
procédé. De plus, un contrôleur numérique
de vanne peu diagnostiquer les problèmes
qui pourraient se produire et transmettre des
alarmes en cas d'échec du test.
4.5.2 Fonction sécurité et certication
de produit
Un actionneur à rappel par ressort fournit un
mode de fermeture inhérent pour l'ensemble
de la vanne. En cas d'urgence, la méthode
habituelle de déplacer la vanne en état de
sécurité consiste à couper la pression d'air de
l'actionneur et à laisser le ressort positionner
Figure 4.7 Contrôleur numérique de vanne SIS sur une soupapes de sûreté
80
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
la vanne. Pour ce faire, une électrovanne
et/ou un contrôleur numérique de vanne
peuvent être utilisés. Une instrumentation
supplémentaire peut être prévue sur la vanne
de sécurité, comme des amplicateurs, des
transmetteurs de positions et des systèmes
de déclenchement. Tous ces instruments
doivent être évalués du point de vue de leur
effet sur le système de sécurité.
Ces éléments peuvent toutefois présenter
une défaillance, ce qui provoque un
déclenchement imprévu ou empêche la
vanne de sécurité d'entrer en état de sécurité.
Les modes de défaillance, les effets et
l'analyse des diagnostics (FMEDA) fournissent
des valeurs pour chaque composant. Cela
permet à un ingénieur chargé de la sécurité
de concevoir un système de sécurité
instrumenté adapté au niveau de réduction
du risque voulu. Pour de plus amples
informations concernant les systèmes de
sécurité instrumentés, voir le Chapitre 12.
4.6 Contrôleurs
Dans certaines applications, le contrôle
du procédé est effectué au niveau local,
sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un
système à commande décentralisée (DCS)
ou d'un contrôleur programmable (PLC).
Les contrôleurs locaux sont utilisés pour
mesurer les conditions du procédé tels que
la pression, la température ou le niveau, et
ils dirigent directement la pression de sortie
pneumatique vers une vanne de régulation
(Figure 4.8).
L'entrée du contrôleur local est généralement
la pression, la pression différentielle, la
température ou le changement de niveau.
La mesure du procédé se traduit en un
mouvement de l'ensemble faisceau/battant,
qui est relié à un élément d'entrée. L'élément
d'entrée peut être un tuyau Bourdon, un
ensemble de soufets, un ensemble de levier
de déplacement liquide ou une sonde de
température.
Figure 4.8 Contrôleur pneumatique sur une vanne de régulation
L'élément d'entrée est relié à un pointeur de
procédé (ajustement du point de consigne) et
au battant par des liaisons. Lorsque l'entrée
de procédé augmente (dans un contrôleur à
effet direct), le battant se déplace vers la
buse, ce qui restreint le débit à travers la buse
et augmente la pression de la buse. Lorsque
cela se produit, l'action du relais augmente la
pression à la sortie de l'actionneur, ce qui
module la vanne de régulation. La pression à
la sortie revient vers le soufet proportionnel.
L'action du soufet proportionnel va à
l'encontre du mouvement du battant qui est
généré par le changement d'entrée du
procédé. Il éloigne ensuite le battant de la
buse jusqu'à ce que le contrôleur atteigne un
point d'équilibre. L'ajustement du point de
consigne modie la proximité de la buse et du
battant, comme le fait un changement
d'entrée de procédé. Toutefois, lorsque le
point de consigne est modié, la buse se
déplace par rapport au battant.
Le bouton d'ajustement de la bande
proportionnelle place la buse sur le battant.
L'augmentation ou l'élargissement de la
bande proportionnelle déplace la buse
vers une position du battant qui produit un
moindre mouvement du battant, réduisant
le gain du contrôleur. La réduction ou la
81
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Ajustement manuel du
Point de consigne
distant raccordé ici
Pression de sortie vers élément
Contrôle proportionnel uniquement
diminution de la bande proportionnelle
déplace la buse vers une position où un plus
grand mouvement du battant se produit, ce
qui augmente le gain. L'action du contrôleur
passe de directe à inverse lorsque l'on
tourne le bouton d'ajustement de la bande
proportionnelle an de placer la buse sur
un point du battant où la direction du
mouvement du battant vers le mouvement
d'entrée est inversé. Lorsque le contrôleur est
un mode action inverse, une augmentation
de l'entrée du procédé provoque la
diminution de la pression de sortie de
l'actionneur. La pression d'alimentation
passe à travers un orice xe du relais et sort
par la buse. La pression de la buse s'adapte
à la grande membrane de relais et module
la pression d'alimentation sur la petite
membrane de relais. Cela module également
la pression de sortie du contrôleur vers
l'actionneur (Figure 4.9).
Les contrôleurs qui fonctionnent en mode
proportionnel plus remise à zéro sont
semblables aux contrôleurs uniquement
proportionnels, à l'exception du fait que
la pression de sortie est ramenée aux
soufets de remise à zéro et proportionnels.
Durant le fonctionnement, les contrôleurs
proportionnels plus remise à zéro minimisent
l'écart entre la température du procédé et le
point de consigne.
Les contrôleurs proportionnels à remise à
zéro et débit sont équipés d'une vanne de
débit, d'une restriction réglable qui maintient
le gain du contrôleur pendant un moment
an d'accélérer l'action corrective des
systèmes lents (Figure 4.10). L'action du débit
retarde la réduction de gain sufsamment
longtemps pour permettre au système de
répondre au changement, mais pas assez
longtemps pour que le système devienne
instable. Le gain lent assuré par l'action
proportionnelle assure le maintien de la
stabilité du système. Enn, l'action de remise
à zéro augmente le gain et ramène le procédé
vers le point de consigne.
La fonction anti-saturation d'intégrale réduit
l'erreur de jetée à l'entrée du procédé qui
peut être due à un écart du point de consigne
trop important ou trop long. Cette option
peut être ajustée pour fonctionner aussi bien
lorsque la pression à la sortie augmente que
quand elle diminue. La soupape de sûreté
différentielle travaille lorsque la différence
entre la pression proportionnelle du soufet
et celle du soufet de remise à zéro atteint
une valeur prédéterminée.
Point de procédé
Élément d'entrée
raccordé ici
Figure 4.9 Schéma d'un contrôleur pneumatique
82
point de consigne
Lien de
raccordement
Pression d’alimentation
Pression de sortie
Pression de buse
Pression de remise à zéro
Pression proportionnelle
Faisceau
Soufflets proportionnels
Battant
Buse
Soufflets de remise à zéro
(éventés)
Ajustement de la bande
proportionnelle
Mouvement
de suivi
Quadrant à
action directe
Pression d’alimentation
Lien de suivi
de contrôle final
Relais
Quadrant à action
inverse
Mouvement
en entrée
Pivot de
battant
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Pression d’alimentation
Pression de sortie
Pression de la buse
Pression de remise à zéro
Pression proportionnelle
Vers soufflets
proportionnels
Vers soufflets de
remise à zéro
Vers buse
Sortie
Relais
Pression d’alimentation
Vanne de remise à zéro
Débit vanne
Vanne de décharge
différentielle
Proportionnelle + Remise à zéro +
Contrôle de débit avec anti-remise à zéro
Figure 4.10 Schéma d'un contrôleur pneumatique
4.7 Transmetteurs de position
Le transmetteur de position a pour fonction
de fournir au système de contrôle un retour
indépendant quant à la position de la vanne.
Le retour quant à la position est souvent
utilisé pour la surveillance du procédé, la
résolution des problèmes ou la vérication
de la mise en marche/arrêt. Le transmetteur
de position est monté directement sur la
vanne, et il mesure la position de la tige
ou de l'arbre de vanne. Sur les installations
câblées, le transmetteur de position émet un
signal de 4 à 20 mA qui correspond à la plage
d'étranglement de la vanne de régulation.
Dans une installation sans l, le transmetteur
de position émet un signal numérique de 0 à
100% (Figure 4.11).
Figure 4.11 Moniteur de position sans l monté sur un action-
neur
4.8 Fins de course
Une n de course a pour fonction de fournir
un signal d'ouverture ou de fermeture discret
au système de contrôle lorsque la vanne
atteint une position spécique de sa plage
de course. Les ns de course sont également
utilisées pour la surveillance du procédé, la
résolution des problèmes ou la vérication
de la mise en marche/arrêt. La n de course
reçoit le retour de position de la tige ou de
l'arbre de vanne, et il envoie un signal par
câble ou sans l au système de contrôle. De
nombreuses technologies de ns de course
sont disponibles, comme la proximité, l'état
solide, la fermeture magnétique ou par
contact
4.9 Électrovannes
Une électrovanne est installée sur le chemin
pneumatique de l'actionneur. Dans certaines
applications, l'électrovanne évacuera
l'air de l'actionneur an de permettre à la
vanne de passer à l'état de fermeture en
l'absence d'air. Dans d'autres applications,
l'électrovanne bloquera l'air dans l'actionneur
an d'immobiliser la vanne sur sa position
actuelle. Des électrovannes à trois voies
sont généralement utilisées pour agir sur les
actionneurs à rappel par ressort, tandis que
les actionneurs double effet sont équipés
d'électrovannes à quatre voies. L'électrovanne
est activée en émettant ou bloquant un signal
électrique discret du système de contrôle.
Pour de plus amples informations concernant
les électrovannes, voir le Chapitre 11.
83
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
4.10 Systèmes de déclenchement
Les systèmes de déclenchement sont utilisés
dans les applications de contrôle où une
action spécique de la part de l'actionneur
est requise en cas de perte de pression
d'alimentation (Figure 4.12). Ils sont utilisés
avec les actionneurs double effet qui n'ont
pas d'état de fermeture sans air inhérent, ou
avec les actionneurs simple ou double effet
pour assurer le blocage pneumatique.
Lorsque la pression d'alimentation descend
en-dessous du point de déclenchement,
la vanne de déclenchement provoque
la position de repli de l'actionneur en
position haute ou basse ou le verrouillage
de l'actionneur dans sa dernière position
de fonctionnement. Pour les applications
double effet, un réservoir de volume assure
la capacité d'air pneumatique de réserve
pour actionner la vanne jusqu'à ce que
la pression d'alimentation soit rétablie.
Lorsque la pression d'alimentation s'élève
au-dessus du point de déclenchement, la
vanne de déclenchement se réinitialise
automatiquement, permettant ainsi le retour
du système à un fonctionnement normal.
4.11 Commandes manuelles
Des commandes manuelles de l'actionneur de
membrane sont souvent utilisées comme des
arrêts de course ajustables. Elles fournissent
également un moyen de positionner la vanne
de régulation en cas d'urgence.
Les commandes manuelles à montage latéral
peuvent être utilisées pour actionner la vanne
dans les deux sens, quel que soit le point de la
course de la tige de l'actionneur (Figure 4.13).
La commande manuelle à montage latéral
peut être placée sur la course limite dans les
deux sens, mais pas en même temps. Lorsque
la commande manuelle est en position
neutre, le fonctionnement automatique est
possible sur la course complète de la vanne.
Pour toutes les autres positions, la course de
la vanne sera limitée.
Les commandes manuelles à montage
supérieur sont utilisées pour le service non
fréquent, an d'actionner manuellement la
vanne (Figure 4.14).
Ressor t
Clapet de
vanne
Membrane
supérieure
Passage
d'échappement
Pression
d’alimentation
Membrane inférieure
Passages inférieurs
Figure 4.12 Vanne de déclenchement en position déclenchée
Passage D
Passage E
Passage F
Pression d’alimentation
Pression de contrôle vers
le sommet du cylindre (bloqué)
Pression de contrôle vers le
fond du cylindre (bloqué)
Ressort
principal
Passage A
Passage B
Passage C
Pression vers le sommet du cylindre
(depuis le réservoir de volume)
Pression depuis le fond du cylindre
(évent)
Pression de charge de la membrane inférieure
(éventé)
84
Passages
supérieurs
Ensembles
de clapet
Évent
Taille
Volume
Réservoir
Dispositif
de contrôle
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 4 : Accessoires pour vannes de régulation
Figure 4.13 Actionneur avec commande manuelle à montage
latéral
Figure 4.14 Actionneur avec commande manuelle à montage
supérieur
85
Chapitre 5
Dimensionnement des vannes de régulation
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Les vannes de régulation gèrent tous les
types de uides, à des températures qui
vont des valeurs cryogéniques à bien plus
de 538°C (1000°F). Le choix de l'ensemble
du corps de la vanne de régulation demande
une attention particulière an de fournir
la meilleure combinaison possible entre
le type de corps de vanne, le matériau et
le type d'équipement interne en fonction
de l'utilisation prévue. Les exigences en
termes de capacité et de plage de pression
de fonctionnement du système doivent
également être prises en considération lors
du choix de la vanne de régulation, an
d'assurer un fonctionnement satisfaisant sans
dépense initiale inutile.
Les fabricants connus de vannes de
régulation et leurs représentants aident
leurs clients à choisir la vanne de régulation
la plus appropriée aux conditions de
fonctionnement. Une application disposant
généralement de différentes possibilités,
il est important de fournir les informations
suivantes pour toutes les conditions jugées
importantes :
Type de uide à contrôler
Température du uide
Viscosité du uide
Concentration de toutes les éléments qui
le composent, y compris les impuretés
présentes sous forme de traces
Conditions du procédé au démarrage,
durant le fonctionnement normal et lors
des arrêts
Nettoyage chimique qui peut être
effectué périodiquement
Densité du uide
Débit du uide
Pression à l'entrée de la vanne
Pression à la sortie ou chute de pression
Chute de pression à l'arrêt
Niveau de bruit maximum admis,
si pertinent, et valeurs du point de
référence
Degrés de surchauffe ou point d'éclair,
s'ils sont connus
Taille et planication de l'entrée et de la
sortie du conduit
Informations spéciales requises sur
l'étiquette
Matériau corps moulé (ASTM A216 grade
WCC, ASTM A217 grade WC9, ASTM
A351 CF8M, etc.)
Type d'extrémités et de vanne (vissée,
Classe 600 RF à bride, Classe 1500 RTJ à
brides, etc.)
Action souhaitée en cas d'absence d'air
(ouverture de la vanne, fermeture,
maintien de la dernière position
contrôlée).
Alimentation en air instrument disponible
Signal instrument (de 3 à 15 psig, de 4 à
20 mA, HART, etc.)
De plus, les informations suivantes
nécessiteront l'accord de l'utilisateur et
du fabricant en fonction de l'achat et des
pratiques d'ingénierie appliquées.
Numéro de type de la vanne
Diamètre du robinet
Construction du corps de vanne
(d'équerre, à deux voies, papillon, etc.)
Guidage du clapet de vanne (à cage, par
le passage, etc.)
Action du clapet de vanne (enfoncer pour
fermer, PDTC, ou enfoncer pour ouvrir,
PDTO)
Diamètre du passage (plein ou restreint)
Matériau requis pour l'équipement
interne de la vanne
Action du débit (le débit tend à ouvrir la
vanne ou à la fermer)
Taille de l'actionneur requis
Type de chapeau (plein, élargi, à soufet,
etc.)
Matériau de la garniture (bague
en V en PTFE, graphite laminée,
système d'étanchéité respectueux de
l'environnement, etc.)
Accessoires requis (positionneurs,
commande manuelle, etc.)
Certaines de ces options ont été présentées
dans les chapitres précédents de cet ouvrage,
d'autres le seront dans les suivants.
87
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Processus de sélection de la vanne
1. Dénir les conditions de service
Sélectionner la classe de pression ANSI appropriée nécessaire au corps de vanne et à l'équipement interne.
En l'absence d'indication de bruit ou de cavitation, choisir l'équipement interne standard.
Si le bruit du liquide est élevé et/ou si une cavitation est indiquée, choisir un équipement interne réducteur de cavitation.
Veiller à ce que l'équipement interne choisi soit disponible dans le groupe d'équipement interne pour la taille de vanne
Si le bruit aérodynamique est élevé, choisir un équipement interne réducteur de bruit.
Sélectionner le corps de vanne et la taille de l'équipement interne en fonction de la valeur C
P1, ∆P, Q, T1, propriétés du uide, bruit admissible, etc.
2. Calculer la valeur Cv préliminaire requise
Vérier les niveaux de bruit et de cavitation.
3. Sélectionner le type d'équipement interne
4. Sélectionner le type de corps de vanne et d'équipement interne
Prendre note des options de course, groupe d'équipement interne et arrêt.
5. Sélectionner le matériau de l'équipement interne.
Sélectionner le matériau d'équipement interne pour l'application.
6. Options à prendre en compte
Prendre en compte la fonction marche/arrêt, la garniture de la tige, etc.
sélectionnée.
requise.
v
5.1 Dimensions des vannes de régulation
5.1.1 Dimensions face à face des vannes de régulation à bride et des robinets à soupape
Classes 125, 150, 250, 300 et 600 (dimensions conformes à la norme ANSI/ISA-75.08.01)
Valeurs de pression et connecteurs terminaux
Diamètre du robinet
DN NPS mm in mm in mm in
15 1/2 184 7,25 197 7,75 190 7,50
20 3/4 184 7,25 197 7,75 194 7,62
25 1 184 7,25 197 7,75 197 7,75
40 1-1/2 222 8,75 235 9,25 235 9,25
50 2 254 10,00 267 10,50 267 10,50
65 2-1/2 276 10,88 289 11,38 292 11,50
80 3 298 11,75 311 12,25 318 12,50
100 4 352 13,88 365 14,38 368 14,50
150 6 451 17,75 464 18,25 473 18,62
200 8 543 21,38 556 21,88 568 22,38
250 10 673 26,50 686 27,00 708 27,88
300 12 737 29,00 749 29,50 775 30,50
350 14 889 35,00 902 35,50 927 36,50
400 16 1016 40,00 1029 40,50 1057 41,62
Abréviations utilisées ci-dessus : FF - Flat Face (face plate) ; RF - Raised Face (face relevée) ; RTJ - Ring-Type Joint (joint type bague) ; CI - Cast Iron (fonte)
88
Classe 125 FF (CI)
Classe 150 RF (STL)
Classe 150 RTJ (STL)
Classe 250 RF (CI)
Classe 300 RF (STL)
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Dimensions de face à face pour les vannes droites à bride (suite)
Diamètre du robinet
DN NPS mm in mm in mm in
15 1/2 202 7,94 203 8,00 203 8,00
20 3/4 206 8,12 206 8,12 206 8,12
25 1 210 8,25 210 8,25 210 8,25
40 1-1/2 248 9,75 251 9,88 251 9,88
50 2 282 11,12 286 11,25 284 11,37
65 2-1/2 308 12,12 311 12,25 314 12,37
80 3 333 13,12 337 13,25 340 13,37
100 4 384 15,12 394 15,50 397 15,62
150 6 489 19,24 508 20,00 511 20,12
200 8 584 23,00 610 24,00 613 24,12
250 10 724 28,50 752 29,62 755 29,74
300 12 790 31,12 819 32,25 822 32,37
350 14 943 37,12 972 38,25 475 38,37
400 16 1073 42,24 1108 43,62 1111 43,74
Abréviations utilisées ci-dessus : STL - Steel (acier)
Classe 300 RTJ (STL) Classe 600 RF (STL) Classe 600 RTJ (STL)
Valeurs de pression et connecteurs terminaux
Classes 900, 1500 et 2500 (dimensions conformes à ANSI/ISA-75.08.06)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Court Long Court Long
15 1/2 273 292 10,75 11,50 273 292
20 3/4 273 292 10,75 11,50 273 292
25 1 273 292 10,75 11,50 273 292
40 1-1/2 311 333 12,25 13,12 311 333
50 2 340 375 13,38 14,75 340 375
65 2-1/2 - - - 410 - - - 16,12 - - - 410
80 3 387 441 15,25 17,38 406 460
100 4 464 511 18,25 20,12 483 530
150 6 600 714 21,87 28,12 692 768
200 8 781 914 30,75 36,00 838 972
250 10 864 991 34,00 39,00 991 1067
300 12 1016 1130 40,00 44,50 1130 1219
350 14 - - - 1257 - - - 49,50 - - - 1257
400 16 - - - 1422 - - - 56,00 - - - 1422
450 18 - - - 1727 - - - 68,00 - - - 1727
mm in mm
Classe 900 Classe 1500
89
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Dimensions de face à face pour les vannes droites à bride (suite)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Court Long Cour t Long
15 1/2 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
20 3/4 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
25 1 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
40 1-1/2 12,25 13,12 359 381 14,12 15,00
50 2 13,38 14,75 - - - 400 - - - 16,25
65 2-1/2 - - - 16,12 - - - 441 - - - 17,38
80 3 16,00 18,12 498 660 19,62 26,00
100 4 19,00 20,87 575 737 22,62 29,00
150 6 24,00 30,25 819 864 32,25 34,00
200 8 33,00 38,25 - - - 1022 - - - 40,25
250 10 39,00 42,00 1270 1372 50,00 54,00
300 12 44,50 48,00 1321 1575 52,00 62,00
350 14 - - - 49,50 - - - - - - - - - - - 400 16 - - - 56,00 - - - - - - - - - - - 450 18 - - - 68,00 - - - - - - - - - - - -
Classe 1500 Classe 2500
in mm in
5.1.2 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités soudées bout à bout
Classes 150, 300, 600, 900, 1500 et 2500 (dimensions conformes à la norme ANSI/ISA-75.08.05)
Dimensions de la vanne
DN NPS Court Long Court Long Cour t Long
15 1/2 187 203 7,38 8,00 194 279
20 3/4 187 206 7,38 8,25 194 279
25 1 187 210 7,38 8,25 197 279
40 1-1/2 222 251 8,75 9,88 235 330
50 2 254 286 10,00 11,25 292 375
65 2-1/2 292 311 11,50 12,25 292 375
80 3 318 337 12,50 13,25 318 460
100 4 368 394 14,50 15,50 368 530
150 6 451 508 17,75 20,00 508 768
200 8 543 610 21,38 24,00 610 832
250 10 673 752 26,50 29,62 762 991
300 12 737 819 29,00 32,35 914 1130
350 14 851 1029 33,50 40,50 - - - 1257
400 16 1016 1108 40,00 43,62 - - - 1422
450 18 1143 - - - 45,00 - - - - - - 1727
Classe 150, 300 et 600 Classe 900 et 1500
mm in mm
90
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités soudées bout à bout (suite)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Court Long Cour t Long
15 1/2 7,62 11,00 216 318 8,50 12,50
20 3/4 7,62 11,00 216 318 8,50 12,50
25 1 7,75 11,00 216 318 8,50 12,50
40 1-1/2 9,25 13,00 260 359 10,25 14,12
50 2 11,50 14,75 318 400 12,50 15,75
65 2-1/2 11,50 14,75 318 400 12,50 15,75
80 3 12,50 18,12 381 498 15,00 19,62
100 4 14,50 20,88 406 575 16,00 22,62
150 6 24,00 30,25 610 819 24,00 32,25
200 8 24,00 32,75 762 1029 30,00 40,25
250 10 30,00 39,00 1016 1270 40,00 50,00
300 12 36,00 44,50 1118 1422 44,00 56,00
350 14 - - - 49,50 - - - 1803 - - - 71,00
400 16 - - - 56,00 - - - - - - - - - - - 450 18 - - - 68,00 - - - - - - - - - - - -
Classe 900 et 1500 Classe 2500
in mm in
5.1.3 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités à emboîtement soudé
Classes 150, 300, 600, 900, 1500 et 2500 (dimensions conformes à la norme ANSI/ISA-75.08.03)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Court Long Cour t Long
15 1/2 170 206 6,69 8,12 178 279
20 3/4 170 210 6,69 8,25 178 279
25 1 197 210 7,75 8,25 178 279
40 1-1/2 235 251 9,25 9,88 235 330
50 2 267 286 10,50 11,25 292 375
65 2-1/2 292 311 11,50 12,25 292 - - -
80 3 318 337 12,50 13,25 318 533
100 4 368 394 14,50 15,50 368 530
Classe 150, 300 et 600 Classe 900 et 1500
mm in mm
91
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités à emboîtement soudé (suite)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Short (Court) Long Court
15 1/2 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
20 3/4 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
25 1 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
40 1-1/2 9,25 13,00 260 381 10,25 15,00
50 2 11,50 14,75 324 400 12,75 15,75
65 2-1/2 11,50 - - - 324 - - - 12,75 - - -
80 3 12,50 21,00 381 660 15,00 26,00
100 4 14,50 20,88 406 737 16,00 29,00
Classe 900 et 1500 Classe 2500
in mm in
Long
5.1.4 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape aux extrémités vissées
Classes 150, 300 et 600 (dimensions conformes à ANSI/ISA-75.08.03)
Diamètre du robinet
DN NPS Court Long Court Long
15 1/2 165 206 6,50 8,12
20 3/4 165 210 6,50 8,25
25 1 197 210 7,75 8,25
40 1-1/2 235 251 9,25 9,88
50 2 267 286 10,50 11,25
65 2-1/2 292 311 11,50 12,26
mm in
Classe 150, 300 et 600
5.1.5 Dimensions de la face au centre pour les robinets à soupape d'équerre à face surélevée
Classes 150, 300 et 600 (dimensions conformes à ANSI/ISA-75.08.08)
Diamètre du robinet Classe 150 Classe 300 Classe 600
DN NPS mm in mm in mm in
25 1 92 3,62 99 3,88 105 4,12
40 1-1/2 111 4,37 117 4,62 125 4,94
50 2 127 5,00 133 5,25 143 5,62
80 3 149 5,88 159 6,25 168 6,62
100 4 176 6,94 184 7,25 197 7,75
150 6 226 8,88 236 9,31 254 10,00
200 8 272 10,69 284 11,19 305 12,00
92
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.1.6 Dimensions de face à face pour les robinets à soupape à bride détachable
Classes 150, 300 et 600 (dimensions conformes à la norme ANSI/ISA-75.08.07)
Diamètre du robinet Classe 150, 300 et 600
DN NPS mm in
25 1 216 8,50
40 1-1/2 241 9,50
50 2 292 11,50
80 3 356 14,00
100 4 432 17,00
5.1.7 Dimensions de face à face pour les vannes rotatives avec ou sans bride (sauf les vannes papillon)
Classes 150, 300 et 600 (dimensions conformes à la norme ANSI/ISA-75.08.02)
Diamètre du robinet Classes 150, 300 et 600
DN NPS mm in
20 3/4 76 3,00
25 1 102 4,00
40 1-1/2 114 4,50
50 2 124 4,88
80 3 165 6,50
100 4 194 7,62
150 6 229 9,00
200 8 243 9,56
250 10 297 11,69
300 12 338 13,31
350 14 400 15,75
400 16 400 15,75
450 18 457 18,00
500 20 508 20,00
600 24 610 24,00
93
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.1.8 Dimensions de face à face pour les vannes papillon à une bride (à oreille) et sans bride (Wafer)
(dimensions conformes à la norme MSS-SP-67)
Diamètre du robinet Dimensions du corps de vanne étroit installé
DN NPS in mm
40 1-1/2 1,31 33,3
50 2 1,69 42,9
65 2-1/2 1,81 46,0
80 3 1,81 46,0
100 4 2,06 52,3
150 6 2,19 55,6
200 8 2,38 60,5
250 10 2,69 68,3
300 12 3,06 77,7
350 14 3,06 77,7
400 16 3,12 79,2
450 18 4,00 101,6
500 20 4,38 111,2
1. Corps compatibles avec les brides en fonte de classe 125 ou les brides en acier de classe 150.
2. Il s'agit des dimensions de la vanne de face à face après son installation sur le conduit. Elles ne comprennent pas l'épaisseur des joints d'étanchéité, si
des joints séparés sont utilisés. Elles ne comprennent pas l'épaisseur des joints d'étanchéité ou les garnitures qui font partie intégrante de la vanne ;
toutefois, ces dimensions sont dénies à garnitures ou joints comprimés.
5.1.9 Dimensions de face à face pour les vannes papillon haute pression à excentration
Classes 150, 300 et 600 (dimensions conformes à la norme MSS SP-68)
Diamètre du robinet Classe 150 Classe 300 Classe 600
DN NPS in mm in mm in mm
80 3 1,88 48 1,88 48 2,12 54
100 4 2,12 54 2,12 54 2,50 64
150 6 2,25 57 2,31 59 3,06 78
200 8 2,50 63 2,88 73 4,00 102
250 10 2,81 71 3,25 83 4,62 117
300 12 3,19 81 3,62 92 5,50 140
350 14 3,62 92 4,62 117 6,12 155
400 16 4,00 101 5,25 133 7,00 178
450 18 4,50 114 5,88 149 7,88 200
500 20 5,00 127 6,25 159 8,50 216
600 24 6,06 154 7,12 181 9,13 232
(1)(2)
94
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.2 Classements des fuites au siège des vannes de régulation
(conformément aux normes ANSI/FCI 70-2 et CEI 60534-4)
Désignation
de la classe de
fuite
III
IV
V
VI
Fuite maximum
admise
I - - - - - - - - -
0,5% de la capacité
II
nominale
0,1% de la capacité
nominale
0,01% de la
capacité nominale
0,0005ml par
minute d'eau par
pouce du diamètre
de passage par psi
différentiel
−12m3
(5 X 10
seconde d'eau par
mm du diamètre
de passage par bar
différentiel).
Ne pas dépasser les
quantités indiquées
dans le tableau
suivant, en fonction
du diamètre de
passage.
Milieu d'essai Pressions d'essai
Air ou eau à 10-52°C
(50-125°F)
Comme ci-dessus Comme ci-dessus Comme ci-dessus
Comme ci-dessus Comme ci-dessus Comme ci-dessus
Eau à 10-52°C (50-
par
125°F)
Air ou azote à 10-
52°C (50-125°F)
3-4 bar (45-60 psig) ou
max. opératoire, la plus
basse des deux.
La perte de pression de
service max à travers le
clapet de la vanne ne
dépasse pas la valeur du
corps établie par l'ANSI,
ou une pression inférieure
conjointement établie.
3,5 bar (50 psig) ou la
pression nominale max
différentielle à travers le
clapet de la vanne, la plus
basse des deux.
Procédures d'essai requises pour
dénir la valeur
Aucun essai n'est requis si
l'utilisateur et le fournisseur
l'établissent.
Pression appliquée à l'entrée de
la vanne, sans ouvrir la sortie vers
l'atmosphère ni la raccorder à un
dispositif de mesure de perte de
tête basse, la poussée de fermeture
complète normale est assurée
pour l'actionneur.
Pression appliquée à l'entrée de la
vanne après avoir rempli la totalité
de la cavité du corps, raccordé le
conduit à l'eau et fermé le clapet
de vanne. Utiliser la poussée max
nette spéciée pour l'actionneur,
pas plus, même si une valeur
supérieure est disponible durant
l'essai. Attendre que le débit de
fuite se stabilise.
Pression appliquée à l'entrée de
la vanne. L'actionneur doit être
réglé aux conditions opératoires
spéciées en appliquant la poussée
de fermeture normale complète au
siège du clapet de vanne. Attendre
que le débit de fuite se stabilise
et utiliser le dispositif de mesure
adéquat.
95
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.3 Fuite au siège maximum admise de classe VI
(conformément à ANSI/FCI 70-2)
Diamètre nominal du passage Bulles par minute
in mm ml par minute Bulles par minute
1 25 0,15 1
1-1/2 38 0,30 2
2 51 0,45 3
2-1/2 64 0,60 4
3 76 0,90 6
4 102 1,70 11
6 152 4,00 27
8 203 6,75 45
1. Les bulles par minute indiquées dans le tableau sont une alternative suggérée en fonction de l'adéquation du dimensionnement du dispositif de
mesure, dans ce cas un tube mural de 1/4 pouce (6,3 mm) O.D. x 0,032 pouce (0,8 mm) immergé dans l'eau à une profondeur comprise entre 1/8
et 1/4 pouce (3 à 6 mm). L'extrémité du tube doit être carrée et lisse, elle ne doit pas présenter de biseautage ni d'ébavure, et l'axe du tube doit être
perpendiculaire à la surface de l'eau. D'autres appareils peuvent être construits, et le nombre de bulles par minute peut différer de celui qui est indiqué,
à condition qu'elles indiquent correctement le débit en ml par minute.
(1)
5.4 Caractéristiques du débit de la vanne de régulation
Les caractéristiques du débit d'une vanne
de régulation sont la relation entre le
débit qui traverse la vanne et la course de
la vanne lorsqu'elle varie de 0 à 100%. Les
caractéristiques de débit inhérentes sont les
caractéristiques observées avec une baisse
de pression constante à travers la vanne. Les
caractéristiques du débit installé sont les
caractéristiques obtenues en service lorsque
la baisse de pression varie avec le débit et
d'autres changements dans le système.
La caractérisation des vannes de régulation
assure une stabilité relativement uniforme de
la boucle de contrôle par rapport à la plage
attendue de conditions de fonctionnement
du système. Pour dénir les caractéristiques
du débit nécessaires à un système donné,
une analyse dynamique de la boucle de
contrôle doit être effectuée. Des analyses
des procédés les plus communs ont toutefois
été effectuées, ce qui permet de disposer
d'indications utiles pour le choix des bonnes
caractéristiques du débit. Ces indications
seront analysées après une brève description
des caractéristiques du débit utilisées
actuellement.
5.4.1 Caractéristiques du débit
La Figure 5.1 illustre des courbes type de
caractéristiques du débit. La caractéristiques
du débit à ouverture rapide assure un
changement maximum du débit lorsque la
course de la vanne est faible, et la relation est
quasiment linéaire. D'autres augmentations
de la course de la vanne réduisent largement
les changements de débit, et lorsque le
clapet de vanne s'approche de la position
entièrement ouverte, le changement de
débit est proche de zéro. Dans une vanne de
régulation, le clapet de vanne à ouverture
rapide est avant tout utilisé pour la fonction
marche/arrêt, mais il peut également être
utilisé pour un grand nombre d'applications
pour lesquelles un clapet de vanne linéaire
serait normalement indiqué.
100
Ouverture rapide
Linéaire
Égal pourcentage
Coefficient de débit nominal (%)
0
Ouverture nominale (%)
100
Figure 5.1 Boucle de contrôle de surveillance
96
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
La courbe de la caractéristique du débit
linéaire montre que le débit est directement
proportionnel à la course de la vanne. Ce
rapport proportionnel produit une courbe
caractéristique à pente constante : le gain
de la vanne est donc le même pour tous
les débits lorsque la baisse de pression est
constante. (le gain de la vanne est le taux de
changement incrémentiel de la position du
clapet de la vanne. Le gain est fonction de la
taille et de la conguration de la vanne, des
conditions de fonctionnement du système
et de la caractéristique du clapet de vanne).
Le clapet de vanne linéaire est généralement
indiqué pour le contrôle du niveau de liquide,
et pour certaines applications de régulation
de débit qui demandent un gain constant.
Dans la caractéristique de débit à égal
pourcentage, des incréments égaux de
la course de la vanne produisent des
changements à égal pourcentage du débit.
Le changement de débit est toujours
proportionnel au débit juste avant le
changement de la position du clapet de
vanne, du disque ou de la bille. Lorsque
le clapet, le disque ou la bille de la vanne
est proche de son siège, le débit est
faible ; lorsque le débit est important, le
changement de taux de débit sera important.
Les vannes à caractéristiques du débit
à égal pourcentage sont généralement
utilisées sur les applications de régulation
de pression ou sur les applications où un
pourcentage plus élevé de baisse de pression
est normalement absorbé par le système,
et où seul un pourcentage relativement
faible est disponible au niveau de la vanne
de régulation. Les vannes qui présentent une
caractéristique à égal pourcentage doivent
également être prise en considération lorsque
les variations de la baisse de pression peuvent
être très importantes.
5.4.2 Choix des caractéristiques du débit
Les caractéristiques du débit idéales sont
celles qui génèrent une caractéristique
installée linéaire et un gain installé uniforme.
Pour assurer des performances optimales,
une analyse dynamique complète doit
être effectuée, car de nombreux autres
facteurs, outre les caractéristiques du
débit, inuent sur les performances. Une
analyse de ce type serait particulièrement
utile pour les applications dans lesquelles la
précision du contrôle est essentielle. Pour
d'autres applications, des caractéristiques
de débit inférieures aux valeurs idéales
peuvent être ajustées de quelques degrés
dans l'équipement de contrôle. Pour de
plus amples informations concernant les
performances de la vanne de régulation, voir
le Chapitre 2.
5.5 Dimensionnement de la vanne
Les activités de standardisation du
dimensionnement des vannes de régulation
ont commencé au début des années 1960,
lorsqu'une association commerciale, le Fluids
Control Institute, a publié des équations
pour le dimensionnement à utiliser pour les
uides compressibles et incompressibles.
La plage de conditions de service qui
pouvaient être dénies avec précision par
ces équations était relativement limitée,
et les normes ne suscitaient pas un grand
consensus. En 1967, l'ISA a mis en place un
comité chargé de développer et de publier
des équations standards. Les efforts de
ce comité ont conduit à la rédaction de la
procédure de dimensionnement des vannes
qui est devenue un loi nationale américaine.
Plus tard, un comité de la Commission
électrotechnique internationale (CEI) a
utilisé les travaux de l'ISA comme base pour
formuler des normes internationales en
matière de dimensionnement des vannes
de régulation. (certaines informations de ce
matériel introductif ont été extraites de la
norme ANSI/ISA-75.01.01, avec l'autorisation
de l'éditeur, l'ISA). Les normes ANSI/ISA-
75.01.01 et CEI 60534-2-1 en matière
de dimensionnement des vannes ont été
harmonisées, de sorte que ces deux normes
peuvent être utilisées.
Bien que les méthodes de dimensionnement
standard des vannes fonctionnent bien dans
la plupart des situations de dimensionnement
des vannes de régulation, il est important
de remarquer que les normes ont des limites
d'application. Leur utilisation au-delà des
limites pour lesquelles elles ont été conçues
doit être attentive. Les exigences des normes
pour une précision raisonnable sont les
suivantes :
uides à un seul composant et une seule
phase
uides newtoniens
97
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
gaz et vapeurs idéaux
Taux idéal des chaleurs spéciques dans la
plage comprise entre 1,08 < γ < 1,65 pour
les gaz et les vapeurs.
Vannes caractérisées par xT ≤ 0,84
Vannes caractérisées par Cv/d2 < 30
Les chapitres suivants expliquent la
nomenclature et les procédures, mais ils
résolvent également certains problèmes an
d'illustrer leur utilisation. Dans les situations
présentées ci-après, il est établi que tous les
débits sont entièrement turbulents. Pour les
uides à haute viscosité ou à débit très faible,
des considérations supplémentaires sont
requises.
5.6 Abréviations et terminologie
Symbole Symbole
Coefcient de dimensionnement de la vanne ∆P
C
v
d Diamètre nominal de la vanne ∆P
Diamètre interne du conduit respectivement
, D
D
1
2
F
d
F
F
F
γ
F
L
F
LP
F
P
K
en amont et en aval du conduit.
Type de modication de la vanne, sans
Facteur du taux de pression critique du liquide,
Taux du facteur de chaleur spécique, sans
Facteur de récupération de la pression du
Facteur de récupération de la pression du
liquide associé au facteur de géométrie
du conduit de la vanne et des raccords (en
l'absence de raccords, F
Facteur de géométrique du conduit, sans
Coefcient de baisse de tête pour un dispositif,
sans dimension (dénoté par ζ dans les normes
dimension
sans dimension
dimensions
liquide, sans dimension
égale F
LP
dimensions
dimension
de dimensionnement)
), sans
L
M Masse moléculaire x
Constante numérique, utilisée pour calculer
N
P
1
P
2
P
c
P
v
1. Les conditions standard sont dénies à 15,5°C (60°F) et 14,7 psia (101,3 k Pa).
différents ensembles d'unités
Pression statique absolue en amont Z
Pression statique absolue en aval
Pression critique thermodynamique absolue
Pression de vapeur absolue du liquide à la
température d'entrée
segmenté
∆P
dimensionnement
q Débit volumétrique standard
T
1
w Débit massique
x
x
obstrué
x
dimensionnement
x
T
TP
Y Facteur d'expansion, sans dimension
1
γ
ν
ρ
1
ρ
1/ρo
Perte de pression (P1-P2) à travers la
Perte de pression du liquide qui limite le
Valeur de la baisse de pression utilisée pour
le calcul du dimensionnement du liquide
Température absolue en amont
Taux de baisse de pression à travers la vanne
en fonction de la pression statique absolue
en amont (∆P/P1), sans dimension
Taux de baisse de pression obstruée pour
Valeur du taux de baisse de pression utilisée
pour le dimensionnement compressible
Facteur du taux de baisse de pression à
débit obstrué, sans dimension
Facteur du taux de baisse de pression sur
débit obstrué avec raccords, sans dimension
Facteur de compressibilité aux conditions
Taux idéal de chaleurs spéciques, sans
Densité aux conditions d'entrée
Gravité spécique du liquide à l'entrée
(taux de densité du liquide à la température
du débit selon la densité de l'eau à 15,5°C
vanne
débit par segments
(1)
débit compressible
d'entrée, sans dimension
dimensions
Viscosité cinématique
(60°F)), sans dimension
98
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.7 Constantes d'équation
(2)
- - -
- - -
- - -
- - -
ρ
3
3
T d, D
- - -
- - -
- - -
- - -
- - - - - -
- - - - - -
N w q P
0,0865 - - - m3/h kPa - - - - - - - - -
N
1
0,865 - - - m3/h bar - - - - - - - - -
1,00 - - - l/min psia - - - - - - - - -
N
2
N
5
0,00214
890
0,00241
1000
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
2,73 kg/h - - - kPa kg/m
N
6
27,3 kg/h - - - bar kg/m
63,3 lb/h - - - ps ia lbm/ft3- - - - - -
0,948 kg/h - - - kPa - - - K - - -
N
8
94,8 kg/h - - - bar - - - K - - -
19,3 lb/h - - - ps ia - - - deg R - - -
Conditions normales 21,2 - - - m3/h k Pa - - - K - - -
TN = 0°C 2120 - - - m3/h bar - - - K - - -
(3)
N
9
Conditions standard 22,5 - - - m3/h k Pa - - - K - - -
Ts = 15°C 2250 - - - m3/h bar - - - K - - -
Conditions standard
= 60°F
T
S
1. Un grand nombre des équations utilisées dans les procédures de dimensionnement contiennent une constante numérique N et un indice numérique.
Ces constantes numériques permettent d'utiliser différentes unités dans les équations. Les valeurs des différentes constantes et les unités applicables
sont indiquées dans le tableau ci-dessus. Exemple : si le débit est donné en gpm américains et que la pression est en psia, N1 a une valeur de 1,00. Si le
débit est m3/h et que les pressions sont en kPa, la constante N1 devient 0,0865.
2. Toutes les pressions sont absolues.
3. La base de pression est 101,3 kPa (1,013 bar)(14,7 psia).
7320 - - - scfh psia - - - deg R - - -
mm
pouce
mm
pouce
99
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
5.8 Dimensionnement des vannes pour les liquides
Voici une procédure pas-à-pas pour le
dimensionnement des vannes de régulation
des débits de liquide à l'aide des procédures
ISA et CEI. Pour être précis, la méthode
de dimensionnement n'est valable que
pour les liquides qui ne contiennent qu'un
seul composant ; les mélanges à plusieurs
composants peuvent toutefois être utilisés,
mais avec précaution.
Chacune de ces étapes est importante,
et elles doivent toutes être prises en
considération durant la procédure de
dimensionnement de la vanne. Il est
important de remarquer que les valeurs C
et FL sont des ensembles cohérents. Si une
valeur Cv différente est utilisée, la valeur FL
correspondante pour la vanne donnée doit
être tirée de la littérature du produit.
1. Spéciez les variables nécessaires au
dimensionnement de la vanne, comme
indiqué ci-dessous :
Conception voulue,
Fluide de procédé (eau, huile, etc.) et
conditions de service appropriées
q ou w, P1, P2 ou ∆P, T1, ρ1/ρo, Pv, Pc et ν
La capacité de reconnaître les termes qui
sont appropriés pour une procédure de
dimensionnement spécique ne peuvent
être obtenus que par l'expérience acquise
en résolvant les différents problèmes de
dimensionnement d'une vanne. Si l'un des
termes suivants vous semble nouveau ou si
vous ne le maîtrisez pas bien, consultez le
tableau Abréviations et terminologie : il vous
fournira une dénition complète.
2. Déterminez les constantes de l'équation, N
et N2.
N
et N2 sont les constantes numériques
1
contenues dans les équations de débit an
de vous permettre d'utiliser les différents
systèmes d'unités. Les valeurs des différentes
constantes et les unités applicables sont
indiquées dans le tableau ci-dessus.
3. Déterminez F
conduit, et FLP, le facteur de récupération
, le facteur de géométrie du
P
de la pression du liquide ajustée pour les
équipements raccordés.
v
1
Pour ces calculs, une valeur C
valeur FL correspondante sont utilisées.
F
est un facteur de correction qui correspond
P
aux pertes de pression dues aux équipements
estimée et la
v
raccordés sur le conduit comme les
réducteurs, coudes ou tés qui pourraient être
montés directement sur les raccords d'entrée
ou de sortie de la vanne de régulation à
dimensionner. Si ces équipements sont
montés sur la vanne, ils doivent être
pris en considération. La procédure de
dimensionnement standard prévoit une
manière de calculer le facteur FP des
réducteurs et des séparateurs concentriques.
Toutefois, si aucun équipement n'est prévu
sur la vanne, FP a une valeur de 1,0 et elle ne
compte simplement pas dans l'équation de
dimensionnement. De plus, FLP = FL.
4. Déterminer la chute de pression à utiliser pour
le dimensionnement, ∆P
dimensionnement
.
Lorsque la différence entre la pression en
amont et celle en aval est sufsamment
grande, le liquide peut commencer à se
vaporiser, ce qui provoque des à-coups dans
le débit. Si la chute de pression réelle à travers
la vanne, ∆P, est plus grande que la chute de
pression qui provoque les à-coups du débit,
la chute de pression du débit par à-coups,
∆P
, doit remplacer la chute de pression
à-coups
réelle.
5. Calculer C
de l'estimation utilisée à l'étape 3, itérer
. Si cette valeur Cv n'est pas proche
v
en utilisant cette nouvelle valeur Cv, ainsi
que la valeur FL correspondante tirée des
informations du produit.
5.8.1 Déterminer le facteur de
géométrie du conduit (FP) et le facteur
de récupération de la pression du liquide
(FLP) ajusté selon l'équipement
Déterminer un facteur FP si certains
équipements, comme des réducteurs, des
coudes ou des tés sont directement montés
sur les raccords d'entrée et de sortie de
la vanne de régulation à dimensionner.
Lorsque cela est possible, il est conseillé de
déterminer les facteurs FP et FLP de manière
expérimentale à l'aide de la vanne spéciée
dans des essais réels.
100
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