05 Robinetterie Texte

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie ———

TECHNOLOGIE DU MATÉRIEL PÉTROLIER, PÉTROCHIMIQUE ET CHIMIQUE

LA ROBINETTERIE (VALVES)

1 - Le robinet à vanne (Gate valve) ................................................................................................ 3 2 - Le robinet à soupape (Globe valve) .......................................................................................... 5 3 - Le robinet à tournant (Rotary motion valve: ball and plug valve) .............................................. 7 4 - Le robinet à papillon (Butterfly valve) ........................................................................................ 9 5 - Le robinet à piston (Piston valve) ............................................................................................ 10 6 - Le clapet de non retour (Check valve)..................................................................................... 10 7 - Le purgeur de vapeur (Steam trap) ......................................................................................... 12 8 - Les dispositifs de sécurité face à l'action de la pression (Safety valve and rupture disc) ....... 13

BE MTU - 00899_B_F - Rév. 3

25/09/2006

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La robinetterie désigne l'ensemble des équipements principaux qui sont montés sur les réseaux de tuyauterie, mais également sur les appareils tel que les équipements chaudronnés, les machines tournantes, les réservoirs, les générateurs de vapeur et qui contiennent des fluides à l'état gazeux ou liquide. Elle est destinée, en général, à modifier une caractéristique de l'écoulement de ce fluide comme, par exemple le débit, et par voie de conséquence a une influence sur la pression. L'ensemble de la robinetterie comporte quelques grandes familles d'équipements, qui sont : - les robinets - les clapets de retenu ou de non retour - les purgeurs de vapeur - les soupapes de sécurité de pression, qui sont quelquefois aussi considérées comme des éléments d'instrumentation. - une série d'éléments, aux services complémentaires dans l'ensemble de la constitution d'un réseau de tuyauterie ; ces éléments peuvent être des filtres, des voyants de circulation, des vannes de détente et même des vannes de régulation automatique. La classification de la robinetterie ainsi définie peut s'effectuer selon divers paramètres : fonction, désignation constructive, nature du fluide, … Il est possible de distinguer ainsi : - les fonctions de coupure et de laminage : robinet à vanne, robinet à soupape, clapets de non retour, ... - les fonctions de protection et de sécurité : purgeurs, soupapes de sécurité - les fonctions de réglage : détendeurs - les fonctions diverses : filtres, voyant de circulation, ... Tous ces appareils de robinetterie sont composés d'un corps dont les jonctions avec la ligne de tuyauterie peuvent être : -

à vissées ( threaded) à emmanchement à souder (socket welding) à souder en bout ( butt welding) à brides à monter entres brides

Dans la majorité des cas, les extrémités à emmanchement à souder ou à visser sont utilisées sur des lignes dont le diamètre nominal est au plus égal à DN 50. De plus pour des raisons de sécurité, les jonctions à visser sont souvent proscrites par les spécifications de tuyauteries éditées par les utilisateurs.

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Manuels Assistés Motorisés Organes de commande et de contrôle Organes de sécurité

Systèmes manuels ou commandés par une énergie auxiliaire destinés à manœuvrer les robinets (ouverture, sectionnement ou réglage de l’écoulement du fluide). -

Protection Sûreté

Dispositifs de manœuvre

Autres fonctions

Disconnecteurs Soupape antivide Clapets antipollution Purgeurs Filtres et séparateurs Autres appareils

Soupapes de sûreté Dispositifs de réarmement Équipements de protection Détendeurs, réducteurs de pression

Protéger une enceinte contenant un fluide sous pression contre les risques d’éclatement. -

Antiretour

-

Clapets de non retour

Interrompre automatiquement l’écoulement d’un fluide lorsque son sens s’inverse.

Régulation

Antipollution. Lutte contre l’incendie. Séparation. Contrôle

Vanne à obturateur rotatif excentré Vanne à cage Vannes trois voies Vanne micro débit à Cv ajustable Vanne papillon Vanne d’angle Vanne à membrane Vanne à boule Ventelles

Moduler en permanence un paramètre du fluide en fonction de données d’entrée (lois, consignes) -

Réglage

Robinets-vannes Robinets à tournant Robinets à papillon Robinets à obturateur déformable Robinets à soupape

Familles d’appareils

— Planche n°1 —

Établir ou suspendre à volonté, à l’aide d’un robinet, l’écoulement d’un fluide dans une conduite. Ajuster, aux besoins du procédé, le débit ou la perte de charge d’un fluide traversant un robinet. -

Sectionnement

Définitions

FONCTIONS DE BASE

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1-

LE ROBINET À VANNE (GATE VALVE) Dans ce type de robinet, l'obturateur, commandé au moyen d'une tige, se déplace linéairement et perpendiculairement au sens de circulation de la veine fluide ; ses deux portées d'étanchéité, appelées "portage", viennent s'appuyer en fin de course de fermeture, sur deux autres portées solidaires du corps de vanne, qui leur font face et appelées "sièges". Si les faces des sièges sont parallèles, le déplacement de l'obturateur s'effectue parallèlement à leur plan, si elles sont obliques, l'obturateur se déplace alors dans un plan médian. C'est un robinet d'isolement qui de par sa construction ne peut réaliser de réglage de débit même en début d'ouverture, car dans cette configuration d'utilisation, il se produit alors une érosion sur les bords des sièges et de l'obturateur, provoquant la destruction de ses qualités d'étanchéité. Les robinets à vanne se différencient les uns des autres par la constitution de leur obturateur. Un robinet à vanne, appelé communément robinet-vanne ou vanne, est constitué généralement des éléments suivants : - un corps prévu pour tenir aux effets de la pression de service et dont les extrémités sont en concordance avec les impositions de la spécification de tuyauterie. Ce corps est élaboré par procédé de moulage, de forgeage ou en construction mécano-soudée. Il reçoit les sièges d'étanchéité, rapporté par vissage ou emboîtement et pointage par points de soudure - un couvercle ou chapeau qui obture le corps et qui est destiné à recevoir l'ensemble de manoeuvre et son dispositif d'étanchéité. L'étanchéité du plan de liaison avec le corps est réalisée par l'emploi d'un joint en matériaux souple (aujourd'hui matériaux de synthèse destiné à remplacer les joints en amiante-élastomère) - une tige de commande avec son dispositif d'entraînement, ce dernier étant relier au chapeau par l'intermédiaire de l'arcade. Cette tige de manoeuvre est dans la majorité des cas à filetage extérieur, donc non soumise à l'action du fluide ; cette tige se déplace linéairement à l'extérieur du corps par entraînement du volant de manoeuvre et devient ainsi un indicateur de position pour l'obturateur qui est à l'intérieur du corps. L'inconvénient de cette conception est de présenter, en position d'ouverture, un encombrement important dans l'environnement du robinet à vanne. À l'autre extrémité de la tige de commande, un dispositif d'attelage avec l'obturateur équipé d'un ensemble d'étanchéité arrière dite de "back setting" - un dispositif d'étanchéité ou "presse-étoupe" au droit du passage de la tige de commande. Dans la grande majorité des constructions cette étanchéité est réalisée à partir d'un empilage de tresses, immobilisées entre une bague de fond et le fouloir - un obturateur, équipé ou non de bagues de portage, avec son dispositif d'accouplement à la tige de commande. L'obturateur se présente sous la forme d'un coin usiné de façon à retarder au maximum le contact entre celui-ci et les sièges, afin d'en diminuer l'usure C'est la conception de l'obturateur qui va différencier les divers types de robinet à vanne. Il est distingué dans ce type de construction :

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a - Les robinets à vanne à simple opercule ou "monobloc" ou encore à "coin". L'obturateur est réalisé en un seul élément venu de fonderie ou de forge ; les portées obliques sur le corps du robinet ont leurs angles parfaitement confondus avec ceux de l'obturateur de façon à obtenir une étanchéité totale, à la fermeture, par coincement. L'angle de pente étant suffisant afin d'éviter un effort trop important sur la tige lors de l'ouverture. Cette robinetterie est utilisée pour des séries PN 20 et PN 50 et jusque des températures de 400°C. L'obturateur suivant très mal les déformations du corps, l'emploi de ce type de robinet est limité lorsque la pression du fluide à tendance, par déformation, à écarter l'obturateur du siège amont et à le plaquer sur le siège aval ; l'étanchéité étant dans ce cas difficilement maintenue. Il en est de même lorsque la température du fluide engendre des déformations par dilatation. b - Les robinets à vanne à coin flexible Cette conception d'obturateur permet le déplacement relatif d'un siège par rapport à l'autre, lors de la déformation du corps. Ceci est obtenu en pratiquant un usinage dans l'épaisseur du coin rigide, ou à partir de deux demi-coins soudés entre eux, dans la zone centrale. c - Les robinet à vanne à double opercule Dans cette conception, l'obturateur est constitué par deux demi-coins s'articulant entre eux, autour d'un point, afin d'autoriser de faibles variations de position d'un siège par rapport à l'autre. L'articulation est réalisée : - soit par les opercules eux-mêmes usinés avec une zone de contact en forme de rotule à grand rayon de courbure et s'appuyant l'un sur l'autre. - soit par l'intermédiaire d'une bille de très fort diamètre, placé dans un logement entre ces deux opercules. Cette conception permet de pallier les défauts de l'obturateur monobloc, mais n'est pratiquement employé que sur les lignes de vapeur saturée à basse pression ; d - Les robinets à vanne à double opercules et à sièges parallèles, à libre dilatation L'obturateur se compose alors de deux disques ou opercules indépendants qui, la vanne étant fermée, peuvent se déplacer librement, par rapport à leur siège, sous l'effet de la dilatation du corps. Les deux opercules, écartés par un ressort central, s'appuient sur les sièges parallèles placés dans le corps. La poussée déployée par le ressort est insuffisante pour assurer l'étanchéité à la fermeture, l'opercule amont, sous la pression appliquée par le fluide, est alors décollé de son siège ; l'opercule aval, sous la poussée exercée par le fluide et régnant alors dans le corps, est lui plaqué sur son siège, assurant ainsi la fonction de l'étanchéité. Dans ce type d'équipement, l'étanchéité est fonction de la pression régnant dans l'enceinte (effet autoclave), ce type d'obturateur est mal adapter au service sous faible différentielle de pression ; mais est surtout efficace sur des circuits sous haute pression et à de plus l'avantage, d'être pratiquement insensible aux déformations du corps. Le contact entre les sièges et l'obturateur étant permanent, afin d'en diminuer l'usure, les faces en contact sont alors revêtus d'une couche de matériau extrêmement dure (Stellite). En fin de fermeture, la course de l'obturateur étant libre, une bague de butée est goupillée sur la tige de commande afin d'exclure un effort de forçage dans la position extrême et donne une position précise de l'obturateur dans le corps de la vanne.

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e - Les robinets à vanne à double opercules et à sièges parallèles, avec dispositif de blocage L'obturateur se compose de deux opercules indépendants l'un de l'autre et qui dans la position de fermeture, sont plaqués sur leur siège respectif grâce à un dispositif de blocage, dont le principe de base est lié à leur déplacement relatif, l'un par rapport à l'autre, au moyen d'une rampe inclinée. Le blocage est assuré par l'un des opercules venant en butée au fond du corps, l'autre continuant sa course sur la rampe et donnant naissance à un effet d'écartement qui applique les deux opercules sur leur siège respectif ou à l'aide d'un dispositif à coin central, placé au fond du corps, sur lequel viennent se bloquer les opercules ; ce système offrant l'avantage par rapport au précédent d'être plus facilement "décoinçable" à l'ouverture. Sur les réseaux sous haute pression et afin de faciliter les opérations de manoeuvre, certains corps sont équipés d'un dispositif de contournement destiné à équilibrer la pression, de chaque coté de l'obturateur, avant son ouverture et ainsi diminuer partiellement la poussée exercée par le fluide sur l'obturateur afin de rendre la manoeuvre d'ouverture plus facile ; ce contournement permet également, au démarrage, un réchauffage progressif de la partie aval par circulation de la veine fluide, l'obturateur principal étant fermé. Sur les robinets à vanne à double opercules utilisés sur les réseaux vapeur, il est prudent, si le contournement existe, de le combiner avec un dispositif de sécurité dit d'équilibre ou de décharge ; car durant la montée en température, le condensat emprisonné entre les opercules va se vaporiser et créer une surpression dans le corps du robinet, bloquant ainsi les opercules sur leurs sièges. Ce dispositif permet d'évacuer les condensats vers l'aval du robinet, en rétablissant ainsi l'équilibre des pressions tout en facilitant l'opération d'ouverture. Sur les réseaux cryogéniques, afin de placer le dispositif d'étanchéité en phase gazeuse, celui-ci est éloigné de la zone froide en interposant, entre le corps et le presse-étoupe, une pièce d'extension ou en équipant le corps d'un chapeau spécial. Cette extension est souvent diminuée en équipant le chapeau d'ailettes favorisant le réchauffage et réduisant ainsi l'encombrement du robinet. Avantages des robinets vanne – on peut atteindre des étanchéités très élevées – à ouverture totale : perte de charge réduite lors de la traversée du robinet Inconvénients des robinets vanne – – – – –

encombrant (espace vertical nécessité par le retrait de l'obturateur) force importante pour la manœuvre ( beaucoup de frottement) technologie onéreuse temps de manœuvre important (translation) étanchéité assez délicate entre le presse-étoupe et le corps de la vanne, au niveau de l'obturateur – pas le mieux adapté pour des manœuvres fréquentes

2-

LE ROBINET À SOUPAPE (GLOBE VALVE) C'est un organe de robinetterie destiné à la réalisation d'opérations de réglage de débit, par création de pertes de charge dans l'écoulement du fluide. Il est construit jusqu'au diamètre DN 150 à 200. L'obturateur appelé soupape ou clapet, est commandé par une tige se déplaçant perpendiculairement au plan de son siège et parallèlement à l'axe d'écoulement du fluide au droit de ce siège. L'étanchéité à la fermeture est obtenue par application du clapet sur son siège, généralement à contre courant du sens de circulation du fluide. C'est, en conséquence, un appareil à sens de circulation unidirectionnelle et la dissymétrie est à observer lors de l'opération de montage.

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Les caractéristiques générales de construction des robinets à soupape sont très proches de celles des robinets à vanne ; ils sont constitués de : - un corps, destiné à contenir les effets de la pression et recevoir les internes et le siège rapporté en matériau résistant très efficacement aux conséquences de l'abrasion causée par le laminage pendant la phase de début d'ouverture du réglage. Les extrémités du corps sont équipées afin d'être en accord avec la spécification de tuyauterie sur le mode de raccordement avec les tubes. Le corps est fermé par le chapeau recevant l'arcade et le dispositif de manoeuvre de la tige de commande ainsi que l'ensemble destiné à assurer l'étanchéité au passage de cette tige. - la tige de commande, solidaire du clapet qui est lui même éventuellement guidé dans son déplacement sur les grands diamètres et les fortes pressions. Dans ce type de robinet, le volant est en général solidaire de la tige et se déplace avec les mouvements du clapet ; ces déplacements se réalise sur une course beaucoup plus faible que dans les robinets à vanne (~ 1/4 du diamètre moyen du siège). La conception du dispositif d'étanchéité est identique à celle décrite pour les robinets à vanne. Les différents robinets à soupape vont se distinguer entre eux par la forme de leur clapet et de leur siège conjugué ; les principaux sont : a - Les robinets à soupape et à siège conique Ce sont les plus employés dans les industries pétrochimiques. L'obturateur est monté articulé sur la tige et s'applique sur le siège usiné en forme de cône ; la forme de l'obturateur est une portion de surface sphérique et fait en sorte que le contact entre ces deux éléments soit une ligne circulaire. Les contraintes liés au contact obligent, dans cette conception, d'obtenir un niveau de dureté très important sur ces surfaces de portage (en général par dépôt de Stellite). Afin de limiter l'importance des efforts à l'ouverture, le fluide à contrôler attaque le clapet à sa partie inférieure, facilitant ainsi l'opération d'ouverture. b - Les robinets à soupape à pointeau ou robinet pointeau La sensibilité de la course d'ouverture d'un robinet à soupape est trop faible pour pouvoir assurer des réglages de débit d'une grande finesse. Il est pallié à ce défaut en augmentant la progressivité de la variation de la section de passage au droit du siège par l'emploi d'un clapet à grande course et de forme conique allongée. Le clapet prend alors la forme d'un pointeau, constitué même quelquefois par extrémité de la tige de commande. Sur les très petits orifices, ce type d'obturateur devient encore plus effilé et porte le nom de robinet aiguille ; son usage est surtout développé sur les réseaux sous haute pression. c - Les robinets à membrane Dans cette conception, l'obturateur métallique est remplacé par une membrane souple fixée entre le corps et le chapeau. L'étanchéité à la fermeture est obtenue par appui de la membrane sur le siège horizontal ou incurvé, la membrane accompagnant le déplacement de la tige par l'intermédiaire d'une pièce de forme conjuguée. De plus, la membrane assure la protection du mécanisme de manoeuvre ; mais en cas de fuite, au travers de cette membrane, l'étanchéité vers l'extérieur n'est plus dans ces conditions, assurée. Avantages des robinets à membrane – isolation avec l'extérieur ; pas de presse-étoupe Inconvénients des robinets à membrane – – – – 00899_B_F

maintenance importante dans le cas d'une utilisation courante (problème de fiabilité) température et pression opératoires limitées par la matière de la membrane par conception pas très étanche temps de manœuvre important

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d - Les robinets à soupape divers Il existe d'autres types de ces équipements, mais leur emploi est assez exceptionnel dans les industries pétrochimiques. Il est possible de rencontrer : - les robinets à soupape à siège plan, dans cette conception l'obturateur articulé, monté sur la tige de commande, s'applique sur le siège du corps usiné selon un plan. L'étanchéité étant difficile à obtenir, les constructeurs, afin de l'améliorer, prévoient l'adjonction d'un portage souple (caoutchouc, néoprène, PTFE). - les robinets à soupape équilibrée, conçus pour assurer une fonction de réglage la plus précise possible, c'est à dire une position de l'obturateur qui ne dépende uniquement que de l'ordre transmis par l'intermédiaire de l'action du volant ou d'un servomoteur. Pour cela, la circulation du fluide est approvisionnée entre deux clapets montés en opposition ; les poussées sur ces deux clapets se neutralisant alors, les effets de la pression du fluide sur le clapet étant ainsi fortement atténué, l'ensemble mobile est équilibré et ne requiert qu'un faible effort lors de son déplacement, quelle que soit la pression exercée par le fluide. Cette configuration de montage est très largement employée sur les vannes de régulation automatiques. - les robinets à soupape inclinée, ils ont un agencement où la position angulaire du siège par rapport à la circulation du fluide permet de diminuer fortement les pertes de charges générées par l'organisation interne classique des robinets à soupape. Inconvénients des robinets à soupape – plus adapté à la régulation de débit – étanchéité interne plus difficile à réaliser (il faut un système de recalage de l'obturateur sur le siège lors de son application sur celui-ci, ce qui rend l'ensemble plus complexe) – configuration valable pour un flux unidirectionnel car fortement non symétrique – forte perte de charge par le changement de direction du flux et la forme du siège – le robinet n'est pas "naturellement fermé" : le courant de fluide tend à repousser l'obturateur, à la différence des autres technologies où le fluide s'appuie sur le siège.

3-

LE ROBINET À TOURNANT (ROTARY MOTION VALVE: BALL AND PLUG VALVE) Souvent appelé "robinet à boisseau", ce type d'équipement est composé d'un corps (le boisseau) dans lequel vient s'incorporer une pièce de forme conjuguée, l'obturateur (ou tournant) mise en mouvement autour de son axe de rotation qui est confondu avec l'axe de l'évidement du corps. Le boisseau et le tournant sont percés d'orifices appelés lumières qui viennent se contrarier à la fermeture et se superposer à l'ouverture, selon la position angulaire du tournant. La forme géométrique du tournant détermine la forme de la lumière, rectangulaire pour les tournants cylindriques, trapézoïdale pour les tournants coniques et circulaire pour les tournants sphériques. La disposition des tubulures est en général, dans les industries pétrochimiques, en opposition mais il existe des robinets à trois, voire quatre tubulures. Le tournant est dit foncé, lorsque le passage du fluide au travers du corps s'effectue perpendiculairement à l'axe du tournant ; il est dit défoncé, dans le cas d'une circulation parallèle (usage rare sur les fluides procédé). Les principales parties constitutives d'un robinet à tournant sont : - un corps évidé sur lequel sont implantées des tubulures de raccordement aux tuyauteries - un obturateur, prolongé d'une tige de commande dont l'extrémité est usinée afin recevoir un carré de manoeuvre, dispositif dit "quart de tour" sur les modèles non motorisés ; dont le couple de manoeuvre est à son maximum lors de l'ouverture ou de la fermeture et pratiquement nul pendant la rotation. - un couvercle de fermeture qui reçoit le dispositif d'étanchéité de passage de la tige de commande.

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Il existe plusieurs modèles de robinet à tournant, les plus couramment employés sont : a - Les robinets à tournant conique De par leur conception, ce ne sont pas, en principe, des organes de réglage de débit ; certains ne sont pas lubrifiés et ils nécessitent des opérations de maintenance périodiques afin de conserver leur fonction d'étanchéité. Ils sont employés sur des fluides autolubrifiants (gasoil par exemple) et sous basse pression. D'autres sont équipés d'un dispositif de lubrification à la graisse qui permet, en service, de faciliter l'opération de rotation et d'augmenter l'étanchéité. Ces derniers sont par contre employés sur des réseaux de fluide sous forte pression. L'opération de graissage s'effectuant sous une pression de l'ordre 200 à 300 bar, à l'aide d'une pompe à graisse, lors de chaque manoeuvre, ce qui en alourdi fortement l'exploitation. Ces modèles ont été quelquefois avantageusement remplacés par des robinets à tournant qui ont été chemisé à l'aide d'un revêtement de PTFE. Avantages des robinets à tournant conique – temps de manœuvre réduit (1/4 de tour) – symétrique Inconvénients des robinets à tournant conique – perte de charge un peu plus importante que pour les robinets à tournant sphérique – frottement important par contact entre le cylindre ou le cône et son logement, et risque de grippage – joint d'étanchéité délicat à mettre en œuvre (géométrie 3 D) – pas adapté aux manœuvres fréquentes b - Les robinets à tournant sphérique (ball valves) Dans ce type de robinet, le tournant est une sphère percée d'un orifice circulaire. La conception de ce type d'organe permet de pouvoir, sur certains, effectuer une opération de régulation de débit. La sphère peut être introduite dans un corps en éléments soudés (robinet indémontable sur les petits diamètres) ou par la partie supérieure du corps (type top entry) ; sur d'autres conceptions le corps est en plusieurs parties avec un plan de liaison perpendiculaire à l'axe principal du robinet (type end entry). Ce dernier type, par contre, rend obligatoire la dépose de l'ensemble du réseau de tuyauterie lors de la réfection du tournant et de son étanchéité. L'étanchéité est assurée par des garnitures en matériau plastique (le plus souvent en PTFE) ce qui en limite l'emploi face à la température. En cas d'utilisation sur des fluides inflammables, ils doivent être équipés de sièges dit "sécurité feu", afin d'assurer, après destruction éventuelle par l'action de la température, une étanchéité, par contact métal sur métal ; dans cette configuration ultime, il est à remarquer que la manoeuvre en est alors impossible. Avantages des robinets à tournant sphérique – – – – – –

adapté à de fréquentes manœuvres temps de manœuvre réduit (1/4 de tour) symétrique à ouverture totale : perte de charge réduite lors de la traversée du robinet large gamme de température et de pressions pour la sphère flottante, robinets de petit diamètre économiques (disponibles jusqu'à DN 200) – pour la sphère arbrée, sphère maintenue de manière rigide par 2 demi-axes : usure moins rapide du siège – pour la sphère arbrée, le siège peut être plaqué contre l'obturateur par un système de ressorts (rodage du siège et constance de l'appui malgré l'usure du siège)

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Inconvénients des robinets à tournant sphérique – la sphère flottante n'est tenue que par un axe : du jeu peut se produire à cause des DP successives, ce qui peut induire une perte d'étanchéité – robinet assez lourd et encombrant aux grands diamètres

4-

LE ROBINET À PAPILLON (BUTTERFLY VALVE) Dans ce type de robinet, l'obturateur est de forme circulaire ou elliptique et tourne autour de son axe de rotation, perpendiculairement à celui des tubulures, d'une valeur maximale de 90°. Il est très souvent employé, afin de remplacer les robinets à soupape, sur des lignes d'un diamètre supérieur à DN 300 ou 350 lors des sélections en vue d'effectuer une opération de réglage. Il en existe deux grandes familles : a - Les robinets à papillon non étanche Le contact de l'obturateur sur le corps, est un contact métal sur métal et de ce fait, la fonction étanchéité n'est pas assurée. Ils sont utilisés pour assurer la fonction de réglage sur des lignes de gaz, d'air et d'eau sous faible pression et grand débit. b - Les robinets à papillon étanche La constitution de ce type de robinet est alors identique à la précédente, mais l'étanchéité à la fermeture est obtenue par contact d'un élément souple sur un autre élément plus compact, grâce à la présence d'une garniture déformable, en matériau compatible avec le fluide, qui est soit placé sur le pourtour de l'obturateur, soit sous la forme d'un revêtement interne du corps. Cette garniture limite, en général, l'usage du robinet face à l'action de la température. Le corps de ces robinets peut être équipé d'un ensemble de brides pour raccordement au réseau ou être prévu pour être monté entre deux brides de tuyauterie. Avantages des robinets à papillon – – – – – – –

adapté à de fréquentes manœuvres temps de manœuvre réduit (1/4 de tour) économique peu lourd et peu encombrant facilité de démontage couple de manœuvre relativement faible : opérateur moins puissant pour le type "haute performance"*, appui dynamique de l'obturateur sur le siège : meilleure efficacité de mise en étanchéité

Inconvénients des robinets à papillon – – – –

non symétrique (sens autoclave plus étanche que le sens non-autoclave) à ouverture non totale (perte de charge due au profil de l'obturateur dans la veine fluide) classe de pression inférieure à PN 50 voire PN 100 pour le type "conventionnel"**, pas d'appui dynamique sur le siège : étanchéité moins performante * Haute performance (axes de rotation et de la surface de contact excentrés : l'obturateur s'appuie sur le siège qu'en fin de fermeture) ** Conventionnel : axe de rotation = axe de la surface de contact de l'obturateur.

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5-

LE ROBINET À PISTON (PISTON VALVES) Ce type d'organe de robinetterie est un compromis entre le robinet à soupape (déplacement parallèle au sens de circulation du fluide au niveau du siège) et le robinet à tournant (obturateur de forme cylindrique). L'obturateur de ce type de robinet, se déplace parallèlement à son axe, entre deux sièges constitués par des garnitures d'étanchéité annulaires ; découvrant ainsi des lumières de circulation. Son emploi est sélectionné lors de service sur des réseaux de fluide tel que la vapeur, l'eau surchauffée et les fluides thermiques. Ces conditions de service sont limitées à une température d'environ 340 à 400°C et pour des diamètres de DN 200 (limité en pratique à DN 50 sur beaucoup de sites).Ce type de robinet est très souvent connu sous son appellation commerciale de "Robinet à piston KLINGER".

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LE CLAPET DE NON RETOUR (CHECK VALVES) Par rapport au robinet dont l'obturateur est nécessairement commandé de l'extérieur, le clapet de non retour, possède un obturateur libre dont le déplacement n'est asservi qu'au sens de circulation du fluide et à sa vitesse, donc à son débit. Il existe divers types de clapet de non retour : a - Les clapets de non retour à battant (swing check valves) Le corps est équipé d'un siège perpendiculaire à l'axe de la tuyauterie, ou légèrement incliné par rapport à celui-ci, sur lequel vient s'appuyer un obturateur plan, oscillant autour d'un axe d'articulation. L'axe d'articulation étant placé très au dessus du centre de gravité de l'obturateur, la position d'ouverture est conservée tant que la poussée exercée par le fluide sur le battant maintient celui-ci soulevé ; à l'inversion du sens de circulation du fluide, le battant retombe sur son siège et l'étanchéité est alors assurée par la poussée inverse du fluide. C'est un organe de robinetterie unidirectionnel. Ce type de clapet est constitué par : - un corps recevant les sièges d'étanchéité et sur lequel sont rapportés les éléments de liaison avec le réseau de tuyauterie. Ce corps est fermé à la partie supérieure par un couvercle boulonné avec un ensemble de joint circulaire, généralement à emboîtement. - un ensemble battant composé de l'axe d'articulation, d'un bras oscillant avec à son extrémité le clapet. L'axe d'articulation a souvent ses extrémités traversant le corps, l'étanchéité étant assurée par un dispositif de garniture presse-étoupe classique ou hydraulique sous pression (dans le cas d'utilisation sur un réseau soumis à la pression extérieure). L'implantation de cet élément s'effectue sur une ligne horizontale et même sur une ligne verticale si le sens de circulation du fluide est ascendant. b - Les clapets de non retour à levée verticale (Left check valves) Dans ce type, le clapet est guidé suivant son axe et se déplace parallèlement à l'axe d'écoulement du fluide au niveau du siège, qui peut être plan ou conique. La fermeture est obtenue automatiquement, sans intervention extérieure, lorsque le sens normal de l'écoulement est inversé ; souvent sous l'action du poids propre du clapet et quelquefois par l'action complémentaire d'un ressort placé entre le couvercle et ce même clapet. La technologie de construction de ce type de clapet est la même que celle du robinet à soupape en ce qui concerne l'agencement du corps. Il est destiné à être implanté sur une ligne, de tuyauterie, horizontale et malgré qu'il génère des pertes de charge assez importante par rapport à la conception du clapet à battant, il est employé couramment lorsque la fréquence et l'intensité des battements est assez grandes (sur refoulement de pompes alternatives par exemple). c - Les clapets de non retour à bille (ball check valves) Dans cette conception, l'obturateur est constitué par une bille ou une boule s'appliquant sur une portée de siège conique ou sphérique. Ce type de clapet est utilisé sur des lignes verticales ascendantes, de diamètre inférieur ou égal à DN 50 et sous haute pression.

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D MEQ 1759 A

• Clapets à diaphragme • Clapets à membrane • Clapets à boule • Clapets blocables (stop check) • Clapets antipollution (réseaux d'eau) • Clapets de pied de crépine (à l'aspiration des pompes)

À levée verticale (guidée)

À double battant

À papillon

À battant

Types

Axial

Lift

schémas

70 % 30 %

• Encombrement masse • Bruit

80 % 50 %

80 % 50 %

• Résistance à l'écoulement • Coup de bélier provoqué

Idem à battant sauf : • Résistance à l'écoulement • Coup de bélier provoqué

Idem à battant sauf :

80 %

30 %

100 %

70 %

Adapté à

• Température

• Étanchéité en ligne • Résistance à l'écoulement coef de débit Kv (Cv) • Coup de bélier provoqué

Critère de présélection

CLAPETS DE NON RETOUR

• Choisir le DN le + adéquat pour assurer les conditions de pleine ouverture (et limiter les battements)

• Les P très faibles sont défavorables à l'étanchéité

• La position de montage sur la tuyauterie peut êtres imposée sur certains types

• La position d'un clapet dans l'installation est importante. À éloigner au maximum des pompes et compresseurs, des coudes de la tuyauterie

• Attention au coup de bélier et aux pertes de charge

• Les types : — à battant —à piston — à papillon peuvent être équipés d'un amortisseur qui limite les battements

• Appareil non bidirectionnels (à monter dans le sens déterminé par la flèche sur le corps)

Particularité techniques - Conseils

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LE PURGEUR DE VAPEUR (STEAM TRAP) L'emploi de la chaleur contenue dans la vapeur, par utilisation de sa chaleur latente, transforme celleci en condensat qui génère dans les enceintes la présence d'un film liquide sur les parois et qui va ainsi créer un obstacle au transfert de la chaleur, rendant nécessaire l'évacuation automatique de ce condensat tout en conservant la vapeur encore active. De plus, il faut assurer, également, l'évacuation de l'air et des gaz dissous dans la vapeur (gaz carbonique et oxyde de carbone principalement) qui se trouvent piégés dans les réseaux et les capacités. Cette évacuation est réalisée par un organe de robinetterie particulier : le purgeur de vapeur. Il en existe trois grandes familles, qui se différencient par le principe physique de fonctionnement sur lequel ils sont basés : a - Les purgeurs mécaniques Ils fonctionnent sur le principe de la flottabilité (Loi d'Archimède). Ils utilisent la différence de densité entre l'eau et la vapeur, qui par déplacement d'un flotteur actionnant un mécanisme, ouvre ou ferme, un orifice qui laisse s'échapper le condensat et retient la vapeur. Il est distingué deux types : - les purgeurs à flotteur fermé : dans ceux-ci, le mécanisme s'apparente à celui d'une chasse d'eau. Il est utilisé sur des services où une grande variation de débit d'évacuation de condensat est recherchée, sans toutefois dépassé sa capacité d'évacuation maximale. C'est un modèle de purgeur très fiable, peu sensible aux effets du gel, car à l'arrêt il ne contient, à l'intérieur du corps, qu'une petite quantité d'eau ; par contre le flotteur, enceinte fermée, craint énormément les conséquences de l'action des coups de bélier et de la corrosion des condensats, parfois agressifs. - les purgeurs à flotteur ouvert : dans ce type de purgeur, le flotteur est ouvert à sa partie inférieure et l'alimentation en condensat s'effectue à l'intérieur de ce flotteur. Lorsque le condensat traverse le purgeur le flotteur reste sur la base inférieure du corps et permet l'évacuation du condensat par l'orifice, alors ouvert, situé à la partie supérieure de ce même corps. Lorsque la vapeur arrive à l'intérieur du flotteur, elle le remplit provoquant son élévation, qui a pour conséquence de fermer l'orifice d'évacuation. La vapeur contenue dans le flotteur se condense alors, diminuant la flottabilité de celui-ci, qui dans sa chute provoque la réouverture de l'orifice d'évacuation des condensats. À la partie supérieure du flotteur, un orifice de très petit diamètre a été percé afin de permettre l'évacuation des incondensables qui pourraient se concentrer dans le flotteur et bloquer ainsi le fonctionnement du purgeur. b - Les purgeurs thermostatiques Ils fonctionnent sur le principe de la déformation d'un corps sous l'action de la dilatation, liée à la température qui règne à l'intérieur du corps du purgeur. Selon le type de l'élément se dilatant, divers modèles de purgeurs peuvent se rencontrer : - les purgeurs thermostatiques à soufflet équilibré : l'élément fonctionnel est un soufflet monté dans le corps du purgeur. À la partie inférieur du soufflet est monté un clapet, qui dans son déplacement peut obturer l'orifice d'évacuation. Ce soufflet est rempli d'un mélange d'eau et d'alcool, qui possède un point d'ébullition inférieur à celui de l'eau. Lorsque la vapeur arrive dans le purgeur, le liquide se trouvant dans le soufflet se vaporise sous l'action de la montée en température et entraîne la dilatation du soufflet qui ferme alors l'orifice d'évacuation. Le clapet reste fermé jusqu'à ce que la chaleur contenue dans le purgeur soit évacuée, principalement par convection de l'ensemble, afin de permettre grâce à la contraction du soufflet la réouverture de l'orifice d'évacuation. Ce type de purgeur est à froid en position d'ouverture totale, permettant ainsi un démarrage extrêmement rapide de l'installation grâce à l'évacuation des condensats et des gaz, il est très efficace en début de service.

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Ce type de purgeur est par contre très fragile face aux coups de bélier et il faut porter une attention très grande à son contexte d'implantation afin éviter toutes les rétentions d'eau en amont, causé par une longueur droite de tuyauterie trop importante ou par la présence d'un point bas ; de même il est insensible aux effets du gel s'il est dans une situation où le drainage du corps est correctement effectuée. - les purgeurs thermostatiques à dilatation d'un matériau bimétallique : la partie motrice de ce type de purgeur est constituée par un empilage d'éléments composés de matériaux différents et qui se dilatent sous l'action d'une augmentation de température. Ils sont d'ailleurs connu sous le nom de "purgeur bimétallique". Ils ont un faible encombrement et ne sont pas soumis aux contraintes liées aux conséquences du gel. Ils sont conçu pour les services en haute température et sur la vapeur surchauffée ; mais ne permettent pas de suivre les variations rapides de température malgré leur faible inertie. Afin d'améliorer leur fonctionnement le bilame peut être profilé avec la forme d'une étoile à branches inégales, ceci afin de suivre dans sa déformation, sous l'action de la température, le plus possible la courbe de saturation de la vapeur. c - Les purgeurs thermodynamiques Le type le plus courant dans cette famille est connu, aujourd'hui, sous le terme de "purgeur à disque" L'organe principal de ce purgeur est un disque circulaire, plan, placé sur un orifice central d'entrée et sur une évacuation annulaire conduisant vers un orifice de décharge ; l'ensemble étant placé dans un chapeau boulonné sur le corps du purgeur. Ce type de purgeur est essentiellement un appareil fonctionnant par cycles périodiques, fortement influencés par la température extérieure ambiante (par temps froid ce rythme se trouve être accéléré) ; il est très sensible aux phénomènes d'érosion et aux traces de pollution qui peuvent être contenus dans le condensat ou la vapeur. Théoriquement il est apte à fonctionner dans toutes les positions, mais son rendement est optimum en position d'installation horizontale. La réparation de ce purgeur est délicate, seul l'échange standard est conseillé.

8-

LES DISPOSITIFS DE SÉCURITÉ FACE À L'ACTION DE LA PRESSION (SAFETY VALVE AND RUPTURE DISC) Tout équipement fonctionnant sous l'action de la pression (capacité ou ligne de tuyauterie ) peut être soumis aux conséquences d'une surpression pouvant provoquer la ruine mécanique de cet équipement, ceux-ci sont alors protéger par un organe de robinetterie au fonctionnement automatique, les soupapes de sécurité de pression (safety valves). Selon l'état physique du fluide provoquant l'action de la pression, il sera employé, un clapet d'expansion sur les liquides, aux impositions d'installation plus simples (il n'est pas réglementé pour son tarage et son contrôle) ; ou une soupape de sécurité de pression, sur les gaz, dont la pression de tarage, ainsi que la périodicité de vérification sont réglementés par des textes et des décrets de lois, ou des codes de construction a - Les soupapes de sécurité de pression à ressort Ces éléments de robinetterie sont constitué d'une façon générale par : - un corps en acier moulé équipé de deux raccordements généralement à bride et d'équerre, un des orifices de raccordement étant relié à l'équipement à protéger (le plus souvent sur une tubulure de celui-ci ) l'autre étant raccordé à un réseau de torche ou à l'atmosphère. - un siège, vissé ou soudé sur le corps, en acier inoxydable à portée stellité associé à une ou deux bagues de réglage d'ouverture - un chapeau ou arcade supportant l'ensemble du dispositif antagoniste de force (ressort et son dispositif de réglage) ; ce chapeau peut être complètement étanche sur les fluides de procédé ou à arcade ouverte sur les réseaux de vapeur. - un équipage mobile constitué de la tige, avec le clapet à sa partie inférieure et du dispositif d'appui et de réglage du ressort. Cet ensemble étant construit le plus souvent en acier inoxydable, ainsi que les divers éléments de guidage intermédiaire.

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- un ressort de pression prenant appui sur la partie supérieure du chapeau et exerçant sa réaction sur le clapet par l'intermédiaire d'une rondelle d'appui, plaquant ainsi le clapet sur son siège. - un bouchon obturateur à la partie haute de l'arcade assurant l'étanchéité du chapeau si besoin et protégeant également le dispositif de vérification et d'essai en marche. Sur les soupapes ouvertes (utilisées sur les réseaux vapeur), à la partie haute du chapeau, il est à noter la présence d'un levier de décharge manoeuvrable manuellement afin de s'assurer du bon état de fonctionnement de la soupape (blocage éventuel par une action corrosive ou mécanique).

b - Fonctionnement des soupapes à ressort •

La soupape est en position fermée

La soupape est en position d'ouverture

D MEQ 1783 B

•

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D MEQ 1783 A

Le clapet est appliqué sur son siège sous l'action de la force antagoniste provoquée par la compression de tarage du ressort. Lors de la montée en pression du fluide, il s'exerce sur la face inférieure du clapet une réaction égale au produit de la pression dans la capacité par la surface de la section exposée du clapet.

Lorsque le bilan des forces précédentes vient à s'équilibrer, le clapet quitte son appui sur le siège ; il y a alors ouverture partielle de la soupape. Le flux qui s'échappe alors est dirigé vers une section plus importante par le jeux des bagues entourant la section de passage au droit du siège et produit une force de réaction, à la force développé par la compression du ressort, qui déclenche très rapidement une ouverture franche par une levée du siège sur environ les 2/3 de sa course.

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•

La soupape est en position de totale ouverture

Lorsque la pression diminue, le clapet reprend sa position intermédiaire pour la conserver jusqu'à environ 3% en-dessous de la valeur de la pression de tarage du dispositif à ressort.

D MEQ 1783 C

Si la pression continue à augmenter, la soupape s'ouvre alors totalement à 3% au-dessus de la pression de tarage développée par le ressort.

c - Les clapets d'expansion thermique Ce sont des dispositifs de protection contre les surpressions employés sur les capacités contenant des liquides, qui par leur dilatation dans un volume clos, peuvent provoquer un excès de pression qui se traduirait par la ruine de la capacité. Le principe de leur agencement est identique à celui des soupapes à ressort mais de conception plus simpliste, un faible volume de liquide évacué décomprimant instantanément la capacité d - Les soupapes de sécurité à ouverture assistée Les soupapes de sécurité à ressort présente quelques inconvénients liés à leur exploitation et à leur réglage. Elles sont alors quelquefois utilisées avec un dispositif complémentaire monté sur la tête de la soupape afin d'assister celle-ci lors des opérations d'ouverture ou de fermeture. L'assistance peut être pneumatique ou électrique et asservie à une information provenant d'un manostat. Pour rester dans un cadre réglementaire, elles sont toutefois en double emploi d'une soupape classique à ressort. e - Les disques de rupture Les disques de rupture présentent l'avantage d'une étanchéité totale, d'un tarage très précis et d'un encombrement très réduit. Son prix de revient est très faible mais son remplacement est parfois très incommode. Ils sont employés : - soit en parallèle de soupapes de sûreté à ressort, afin de prévenir, dans certaines conditions de procédé de brutales montées en pression et palier ainsi le manque de rapidité de réaction des soupapes à ressort - soit en protection d'une soupape, en le plaçant entre cette dernière et la capacité à protéger, afin éviter le contact de la soupape avec des produits très corrosifs ou susceptible de cristallisation. Dans cette condition d'implantation, la face aval du disque peut être reliée à un indicateur de pression vers la salle de contrôle et ainsi alerter de la rupture du disque s'il n'y a eu aucune réaction de la part de la soupape à ressort

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Les disques de rupture sont constitués de deux grandes catégories de matériaux : - disques métalliques constitué d'une quinzaine de matériaux différents. Trois grandes conceptions technologiques sont proposées : • disque conventionnel dômé, le dôme est dans la direction de l'action de la pression de rupture et se rompt sous l'action d'une force de tension • disque dômé inverse, le dôme fait face à la direction de la pression de rupture et se rompt sous l'action d'une force qui le gauchis, le plie ou le cisaille • disque de rupture avec ligne de fente prédécoupé, il est alors constitué de deux ou plusieurs couches, l'une d'entre elles étant fendue ou rainurée de façon à contrôler le plus exactement la pression de rupture - disques de sécurité en graphite ils sont constitués par un disque en graphite comportant un voile de rupture étalonné avec une grande précision de façon à obtenir une libération de la surface active quasi instantanément en se déchirant sous l'action de la pression. Ils ont un tarage beaucoup plus précis au niveau de la pression d'éclatement que les disques métalliques, mais présentent, lors de leur éclatement, l'inconvénient de se pulvériser en petites particules dans toute l'installation

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