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Technologie des Vannes de Contrôle

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Organe de réglage (Vanne de contrôle) Les vannes de contrôle sont des organes de commande comportant un orifice de dimension variable qui permet le réglage des débits des fluide. En conséquence, elles sont ‘’ l’actionneur’’ d’un grand nombre de chaînes de régulation : pression, niveau, température, etc.

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Vanne de contrôle (Constitution générale)

Membrane Ressort

Actionneur ( servomoteur ) VANNE

Tige SM Accouplement

Signal de commande Index de position

(Tiges SM/clapet)

De

PE

Tige clapet

CONTROLE

Clapet

Corps de Vanne

Siège Débit

(internes) Bride Corps

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Pertes de Charge dans un circuit Un liquide parfait (c’est-à-dire sans viscosité), il s’écoule sans frottement interne et externe et conserve son énergie. Pression statique

P

∆P Q

En augmentant le débit, la pression statique diminue en s’éloignant de la source. L’écoulement d’un liquide visqueux provoque par frottement la dégradation partielle de l’énergie mécanique en chaleur, et cette dégradation s’exprime par ∆H, en hauteur de liquide, ou par ∆P en pression ∆H ou ∆P sont appelées “pertes de charges”.

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Identification des pertes de charge dans un circuit Charge

Échangeur Ps (source)

Q (débit)

Eau froide ∆Pr1 amont

∆P v

∆Pr2 avale

Pompe ∆Pr = ∆Pr1 + ∆Pr2

Ps

Vanne à une position quelconque Caractéristique Pompe

∆P vanne ouverte

∆Pv

∆P vanne fermée Caractéristique Tuyauterie

Q

∆Pr Q

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Q Qvo Qmax

Vanne de contrôle (Pertes de charge)

2 ) Dans une vanne

1) Dans un diaphragme

P1

Q P statique P1

P2

∆P (mesure)

P1

Perte de charge P2

P mini

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P2

Vanne de contrôle

(Gradients de pression dans la vanne)

P1 = Pression amont de la vanne P2 = Pression avale de la vanne Pvc = Pression à la vena contracta (veine contractée)

Pression

Pv = Pression de vaporisation du liquide

P1

∆P1 = Perte de pression dans la partie amont de la vanne

∆P1 ∆P = P1 – P2 ∆P4

∆P2 = Chute de pression à travers la vena contracta ∆P3 = Récupération de pression dans la vanne

P2 ∆P2

∆P4 = Perte de pression dans la partie avale de la vanne

∆P3

∆P = P1- P2 (Chute de Pression totale à travers la vanne)

Pvc Vena contracta

Pv

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Dimensionnement des vannes de contrôle Etude de débit Le débit à travers l’ensemble siège + clapet, est proportionnel à la racine carrée de la ∆P mesurée aux bornes de la vanne

Le ‘’dimensionnement ‘’ d’une vanne, consiste à trouver en fait dans le catalogue du constructeur un ensemble siège + clapet qui, avec la ∆P prévue dans l’installation, laisse passer le débit souhaité

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Dimensionnement des vannes de régulation (Coefficient de débit) Le CV (ou KV), est la capacité de débit d’une vanne sous une pression différentielle donnée. Par définition, le CV c’est le nombre de gallons U.S. d’eau, à une température comprise entre 40°F et 100°F, qui passe dans la vanne en 1 min, avec une chute de pression de 1 psi sachant : 1 PSI = 0,09 bar 1 gallon US = 0,227m³/h. Expression du CV calculé Débit massique Cas liquide

Débit volumique CV = 1,16 . W √ Gf . ∆P

Q : débit volumique en m³/h W : débit massique en t/h Gf : densité du liquide aux conditions d’écoulement ∆P : pertes de charge aux bornes de la vanne (P1-P2) en bar P1 : pression statique amont en bar P2 : pression statique avale en bar

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Dimensionnement des vannes de régulation (Coefficient de débit) Expression du CV calculé Cas gaz

Débit massique

Débit volumique

CV = 47,2 . W √∆P (P1 – P2)

Q : débit volumique en m³/h W : débit massique en t/h G : densité du gaz aux conditions normales T : température en °C ∆P : perte de charge aux bornes de la vanne (P1-P2) en bar P1 : pression statique amont en bar P2 : pression statique avale en bar

Relation entre CV et KV Cas liquide:

CV = 1,16 Kv

Cas gaz

CV = (1/295 ) Kv

:

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Caractéristique de débit Il existe plusieurs types de caractéristiques intrinsèques. Les plus couramment utilisées sont : Linéaire Exponentielle (appelé aussi égal pourcent (=%) ) Egal pourcentage (= %) modifié Ouverture rapide, appelé aussi ‘’Tout ou rien’’ ou ‘’ ON OFF ‘’

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Caractéristique de débit (Définition) Caractéristique intrinsèque du débit C’est la relation entre le coefficient de débit relatif de la vanne (en %) et la course relative correspondante en (%)

Course de la vanne: C’est le déplacement de l’obturateur à partir de la position de fermeture

Course nominale : C’est le déplacement du clapet à partir de la position de fermeture jusqu' à la position définie de pleine ouverture (levée maximale)

Course relative ( h ) : C’est le rapport entre la course à une ouverture donnée et la course nominale

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Caractéristique de débit (Représentation graphique) Caractéristique intrinsèque LINÉAIRE Relation dans laquelle des accroissements égaux de la course , produisent des accroissements égaux du coefficient de débit CV (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

h (%) (course de la vanne ) 0 10

20 30

40 50 60 70

80 90 100

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Caractéristique de débit (Représentation graphique) Caractéristique intrinsèque EXPONENTIELLE (ou EGAL POURCENT ) Relation dans laquelle des accroissements égaux de la course, produisent des accroissements d’égal pourcentage du coefficient de débit CV (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

h (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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Caractéristique intrinsèque du débit Caractéristique EGAL POURCENTAGE MODIFIÉE Caractéristique intermédiaire entre la linéaire et l'égal pourcentage. CV (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

h (% )

0 0

10 20

30

40

50 60 70

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80 90 100

Caractéristique intrinsèque du débit (Représentation graphique)

Caractéristique OUVERTURE RAPIDE Cv max est rapidement atteint Utilisée comme vanne de ‘’Sécurité’’ CV (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

h (%)

0 0

10

20 30 40 50 60 70

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80 90 100

Caractéristique intrinsèque du débit (Représentation graphique)

CV (%)

(1)

(1) : OUVERTURE RAPIDE

100 90

(2) : LINÉAIRE

80 70

(2) (3) : EXPONENTIELLE (= %)

60 50 40

(4) (4) : EGAL POURCENTAGE MODIFIÉE

30 20

(3)

10

h (%)

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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Caractéristiques installée de la vanne Généralités Pour connaître la caractéristique installée d’une vanne sur une installation donnée, il faut prendre en compte : la caractéristique intrinsèque de cette vanne la caractéristique de l’installation les pertes de charges en ligne en fonction du débit la caractéristique de l’élément délivrant l’énergie (pompe) Il y a donc autant de caractéristiques installées que d’installations. Pour pouvoir raisonner, nous considérons une installation type :

P2 P1

Vanne Pompe Pertes de charges en ligne

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Caractéristiques installée de la vanne P2 P1

Vanne Pompe Pertes de charges en ligne

On peut représenter les niveau de pression de la manière suivante P P1

On connait souvent , la perte de charge de la vanne fermée ainsi que la perte de charge au débit nominal.

∆Pv

∆Pf

Il est possible d’extrapoler et de définir la caractéristique de l’évolution de la perte de charge dans la vanne tout au long de la course (appelée aussi ‘’autorité de la vanne’’), à savoir : d = ∆Po Q ∆Pf

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∆Po Évolution des pertes de charge

P2 Q0

Qnom

Qmax

Caractéristiques de débit En résumé : Si d = ∆Po = 1 cela signifie que la perte de charge aux bornes de la vanne est constante, ∆Pf autrement dit, la caractéristique se déforme peu (cas des vannes de mise à l’atm) Si d = ∆Po ≈ 0,3 (cas général), cela signifie que la perte de charge en ligne et la chute de pression ∆Pf de refoulement de la pompe augmentent rapidement avec le débit. Autrement dit la caractéristique se déforme notablement (cas de la plupart des vannes utilisée en régulation) En conclusion Les caractéristiques intrinsèques constructeurs (vannes) se déforment en fonction de l’autorité de la vanne ‘’d’’ Les caractéristiques installées résultent des déformations des caractéristiques intrinsèques en fonction de l’autorité ‘’d’’ (voir courbes jointes) Il est alors possible de tracer pour les caractéristiques intrinsèques des vannes les plus courantes, les courbes des caractéristiques installées

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Caractéristique intrinsèque linéaire d = ∆Po ∆Pf

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Caractéristique intrinsèque exponentielle

d = ∆Po ∆Pf

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Caractéristiques de débit (Caractéristique du système linéaire)

Considérons un système quelconque. Provoquons une succession d’échelons identiques sur la grandeur d’entrée E (fluide entrant dans le Process) Si les réponses S (mesure) sont toutes identiques, le procédé est dit linéaire

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Caractéristiques de débit (Caractéristique du système non linéaire)

Provoquons une succession d’échelons identiques sur la grandeur d’entrée E Si les réponses S ne sont pas identiques, le procédé est dit non linéaire

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Caractéristiques de débit (Caractéristique du système non linéaire) Traçons la courbe des valeurs de sortie (S1, S2, S3…) en fonction des valeurs d’entrée correspondantes. La courbe obtenue est appelée la caractéristique statique du système

(∆ Mesure)

(∆ Vanne)

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Caractéristiques de débit (Caractéristique statique d’un procédé industriel)

Caractéristique statique procédé

Perturbation Y=Cte

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Linéarisation de la caractéristique statique procédé La linéarisation de la caractéristique statique du procédé est réalisé par la vanne de contrôle. Le principe est illustré par la figure ci-dessous où la caractéristique installée de la vanne (1) est telle, qu’associée à celle du procédé seul (2), on obtient une caractéristique linéaire du procédé

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Caractéristiques des clapets La forme du clapet permet d'obtenir les différentes caractéristiques intrinsèques de la vanne, telles que :

ouverture rapide

linéaire

=%

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Actionneur pneumatique à membrane Pression augmente

Membrane

Pression augmente Ressort

Plateau support de membrane

Tige monte Tige descend

Arcade Douille de réglage de la tension du ressort

Sens Direct

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Sens Inverse

Détails d’une vanne droite

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Dimensionnement de la vanne Dans l’industrie, les vannes automatiques sont dimensionnées en fonction des données process, des propriétés physico-chimiques du fluide, des caractéristiques techniques de la vanne et des accessoires associés Conditions Process : Débit max, Psce, Tsce, ∆Psce, ∆Pmax, P critique, densité, viscosité, etc. Nature de fluide véhiculé (liquide, vapeur, gaz, bi phasique) Type de fluide (corrosif, abrasif, chargé, ...) Diamètre de la tuyauterie (amont/aval) Caractéristiques techniques : Matériaux de construction (corps, clapet, siège, tige de clapet, guidage, garnitures de PE,…) Caractéristique du clapet (ON OFF, linéaire, = %, …) Etanchéité souhaitée à la fermeture de la vanne (classe I à classe VI) Sens de sécurité de la vanne (action OMA ou FMA) Etc. Accessoires Positionneur Filtre détendeur Booster FdC Etc.

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Types de vanne Un panel de vannes sont disponibles sur le marché pour répondre à toutes les applications industrielles. On trouve notamment des vannes Droite ou globe Rotative

Boisseau sphérique Membrane

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Papillon

Vanne droite simple siège (SS) (Caractéristiques techniques)

La vanne droite est la plus ancienne de toutes les vannes. Elle peut être simple siège (SS) ou double sièges (DS). Elle est utilisée sur tous types de fluides ‘’chargés ’’ ou non.

Principales caractéristiques de la vanne (SS) : Ne résiste pas aux fortes pressions différentielles ( ∆P ) Servomoteur important (à cause de l’effort transversal). Bonne étanchéité à la fermeture.

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Vanne droite double siège (DS) (Caractéristiques techniques)

Principales caractéristiques de la vanne (DS): Résiste aux fortes pressions différentielles ( ∆P ) Servomoteur moins important que le S.S Mauvaise étanchéité à la fermeture.

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Vanne droite à cage (Caractéristiques techniques) La vanne à cage est utilisée lorsque les conditions de service sont sévères. Elle peut être à un ou plusieurs étages, selon la criticité de l’application Principales caractéristiques : Résiste aux fortes pressions différentielles (∆P) Utilisée lorsque le régime d’écoulement est critique, notamment lorsqu’il y a des problèmes de: Cavitation Bruits (sonores) Erosion, … Très bonne étanchéité à la fermeture.

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Vanne rotative (Caractéristiques techniques) La vanne rotative nécessite un effort réduit pour agir sur l’obturateur en raison de la multiplication des forces d’action (effet du bras de levier) Principales caractéristiques : Servomoteur réduit Bonne caractéristique de débit ( CV élevé). Bonne résistance aux pressions différentielles Excellente étanchéité Rotation de l’obturateur entre 50 et 60 ° environ

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Vanne à boisseau sphérique (Caractéristiques techniques) La vanne à boisseau sphérique ou à ‘’boule’’ , est une vanne rotative dont l’obturateur est une sphère ou un segment de sphère Principales caractéristiques : Siège est en général souple (peut être métallique ou en plastique). Excellente étanchéité à la fermeture Ecoulement dans la vanne est direct d’où le coefficient de débit ‘’ CV’’ important. Rotation de l’obturateur est d’environ 90 °. Bien adapté pour les liquides chargés. Perte de charge ( ∆P) au borne de la vanne assez limitée. Vanne à segment sphérique

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Vanne papillon (Caractéristiques techniques) Principales caractéristiques : Rotation du papillon compris entre 60 et 80 °. Loi de débit pratiquement exponentielle Perte de charge (∆P) aux bornes de la vanne assez limitée

Formes spécifiques du papillon selon les fabricants

Fisher

Samson

Masoneilan

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Vanne à membrane (Caractéristiques techniques) Ce type de vanne est conçu pour utilisation : Avec fluides fortement chargés en particules solides Avec fluides très corrosifs L’obturateur est assuré par une membrane de forme appropriée Loi de débit incertaine Etanchéité à la fermeture pratiquement totale

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Sens de sécurité des vannes Action OMA : Vanne Ouverte par Manque d'Air d’alimentation Action FMA : Vanne Fermée par Manque d'Air d’alimentation

Air de commande Vanne ferme

Air de commande Vanne ouvre

OMA

FMA

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Positionneur Le positionneur est un dispositif qui permet l’asservissement de la course de la vanne au signal de commande venant du régulateur ou d’un système numérique contrôle commande Deux fonctions essentielles caractérises le positionneur: 1.

Régler la position de la vanne par rapport au signal de commande

1.

Amplifier le débit d’air de commande (vers le servomoteur ) pour accélérer l’action

Ces deux fonctions, améliorent l’action de la vanne dans une boucle de régulation.

Liaison mécanique

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Positionneur Signal de commande (venant du régulateur)

Positionneur Alimentation

Signal de commande 4 à 20 mA 3 à 15 PSI 200 à 1000 mbar

Positionneur Sortie

Alimentation Actionneur Course

Liaison mécanique

(déplacement tige clapet)

Corps de vanne

Débit (Doc.Samson)

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Positionneur pneumatique

décharge

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Positionneur électro-pneumatique

décharge

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Positionneur Positionneur à came

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Positionneur Choix de la came

Course

Signal de commande

=% inverse

=%

Signal de commande

+

+

+

+

Linéaire

=%

Linéaire

=%

Course

Clapet

Cv RÉSULTATS :

Signal de commande

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Positionneur Avantages Asservissement de position Changement d'action de la vanne, Conversion d'énergie du signal de commande (positionneur électro-pneumatique), Changement de la loi signal/débit (positionneur à came) Amplification du signal de pression envoyée à l'actionneur, Changement d'échelle (split-range) Diminution du temps de réponse de la vanne, Augmentation de la tenue à la DP vanne fermée. Inconvénient : En cas de mauvais fonctionnement, pompage de la vanne. Nécessite de l’air instrument sec et propre

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Ecoulement non critique et critique Ecoulement non critique On appel écoulement non critique, tout écoulement où les pertes de charge dans un organe déprimogène sont proportionnelles au carré de la vitesse du fluide, Loi que nous avons utilisée jusqu’à maintenant dans le cas des écoulements turbulents

Ecoulement critique On appel écoulement critique, tout écoulement où la Loi précédemment citée n’est plus respectée. Cette modification est due au changement d’état du fluide dans la vanne qui limite la perte de charge et donc le débit à travers cette dernière

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Notion de cavitation et de vaporisation En application du théorème de Bernoulli, la restriction de la section de passage présentée par une vanne provoque une augmentation de la pression dynamique. Il en résulte une diminution de la pression statique plus ou moins importante selon : La géométrie interne de la vanne ; La valeur de la pression statique en aval de la vanne. Cette diminution de la pression statique de la vanne doit être comparée à la tension de vapeur du liquide à la température d'écoulement, car il peut en résulter des phénomènes nuisibles à la qualité du contrôle et à la tenue du matériel.

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P1

P2

Q P1 P2

Phénomène de cavitation Lorsque la pression statique dans la veine fluide décroît et atteint la valeur de la tension de vapeur du liquide à la température d'écoulement, le phénomène de cavitation apparaît (formation de petites bulles de vapeur au sein du liquide courbe 2) Quand la pression statique s'accroît à nouveau (diminution de la vitesse par élargissement de la veine fluide), les bulles de vapeur se condensent et implosent. Pression

État liquide P1 P2

État gazeux Pv

Courbe 2

Température

Tv

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Phénomène de cavitation Ce phénomène de cavitation présente les inconvénients suivants Bruit, d'un niveau sonore inacceptable, très caractéristique car semblable à celui que provoqueraient des cailloux circulant dans la tuyauterie ; Vibrations à des fréquences élevées ayant pour effet de desserrer toute la boulonnerie de la vanne et de ses accessoires ; Destruction rapide du clapet, du siège, du corps, par enlèvement de particules métalliques. Les surfaces soumises à la cavitation présentent une surface granuleuse

Dommages causés par la cavitation

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Phénomène de vaporisation (ou flashing) Si la pression statique en aval de la vanne est faible (forte perte de charge dans la vanne), le processus d'implosion des bulles gazeuses ne se produit pas : celles-ci restent présentes dans la veine fluide, d'où le phénomène de vaporisation (courbe 3) Ce phénomène de vaporisation présente les inconvénients suivants : Bruit, d'un niveau sonore moindre que celui provoqué par l cavitation ; Dommages mécaniques sur le clapet, le siège et le corps, par passage à grande vitesse d'un mélange gaz-liquide. Régime critique.

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Récapitulation sur l’écoulement non critique Ecoulement non critique dans la vanne Dance ce type d’écoulement, il n’ y a aucun phénomène de cavitation ni de vaporisation

Pv < Pvc = pas de cavitation pas de vaporisation

P P1 ∆P

P2

Pvc Pv

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Récapitulation sur l’écoulement critique (phénomène de cavitation) Ecoulement critique dans la vanne avec phénomène de cavitation Il se produit ici microgouttelettes.

le phénomène d’apparition et de disparition de bulles de gaz

ou de

A la vaporisation, il y a apparition des bulles de gaz (phénomène d’explosion) et à la re-liquéfaction, il se produit le phénomène inverse (implosion) qui caractérisent la cavitation. P

Pvc < Pv < P2 = cavitation P1

∆P

P2

Pv Pvc Vaporisation

re-liquéfaction

(formation des bulles de gaz – explosion)

(disparition des bulles de gaz – implosion)

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Récapitulation sur l’écoulement critique (phénomène de cavitation totale) Ecoulement critique dans la vanne avec phénomène de cavitation totale Ici, l’apparition de microgouttelettes (explosion) et leur disparition (implosion) est quasi instantanée. Ce phénomène est très dangereux car il se traduit par l’arrachement du métal au niveau du clapet, siège, guidage, corps, …

P

Pvc = Pv = cavitation totale P1

∆P P2

Pvc = Pv Vaporisation et re-liquéfaction instantanée

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Récapitulation sur l’écoulement critique (phénomène de vaporisation ou flashing) Ecoulement critique dans la vanne avec phénomène de vaporisation Ce type de fonctionnement est moins grave qu’une cavitation. Le fluide change une fois d’état en passant de l’état liquide à l’état vapeur

P1

Pv ˃ P2 = vaporisation (ou flashing)

P1 État liquide ∆P

Pv P2 Etat bi phasique (bulles de vapeur + liquide)

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Remède aux phénomènes de la cavitation Pvc < Pv : IL Y A CAVITATION Remèdes : Relever P1 (pression statique amont) devant Pv (pression de vaporisation du fluide) pour que la pression dans la veine contractée soit élevée: Pvc > Pv

P P1

Dans le cas d’impossibilité, augmenter alors P2 (en réduisant

P2

par exemple l’ouverture de la vanne manuelle qui se trouverait en avale de la vanne de contrôle), afin de réduire la ∆P = P1 - P2

P1

P1 P2

Pvc sera relevée par rapport à Pv et : Pvc > Pv Pvc Pvc

Sinon

Pv

Installer une vanne à cage anti-cavitation équipées des éléments internes en matériaux spéciaux

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Pvc

'

P2

Remède aux phénomènes de la cavitation Pour éliminer les dommages par cavitation, il faudrait installer des vannes à cage (à un ou plusieurs étages) dimensionnées selon la criticité de l’écoulement

Cage à 1 étage

Cage à 4 étages

Cage multi-étages

Les orifices vont créer dans la vanne, des diminutions de pression tout au long de la cage, de sorte qu’elle ne soit pas exposées à la totalité du différentiel de pression La pression de la veine contactée (Pvc) sera ainsi relevée et le phénomène de cavitation sera évité ou notablement réduit La cage, le clapet de vanne et les autres éléments internes sont fabriqués en matériaux durcis pour avoir de bonnes résistances à l’usure.

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Origines du bruit des vannes L’écoulement d’un fluide à travers une vanne s’accompagne d’une émission de bruits. Ceux-ci sont en général d’origine mécanique d’une part et d’origine hydrodynamique ou aérodynamique d’autre part Vibrations d’origines mécaniques Elles sont dues à la turbulence créée dans le fluide par la vanne. Le clapet peut entrer en raisonnance avec les pulsations émises et une rupture de la tige ou de rupture de la queue du clapet est à craindre

Bruit d’origine aérodynamique Ce bruit résulte de la transformation de l’énergie cinétique de l’écoulement en énergie acoustique, lors du passage du fluide dans l’orifice Bruit d’origine hydrodynamique C’est un bruit produit par l’écoulement d’un liquide à travers une vanne et l’ensemble des tuyauterie adjacentes. Ce genre de bruit peut avoir trois origines : la turbulence du liquide la cavitation la vaporisation ou ’’flashing’’ Parmi ces trois cas, le bruit de cavitation est le plus alarmant, car il indique une détérioration de la vanne

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Vitesse du fluide Le bruit d’une vanne peut être crée non seulement entre le clapet et le siège, mais également à la sortie de la vanne si la vitesse du fluide est élevée. Le dimensionnement d’une vanne doit être suffisamment grand pour éviter les vitesses soniques à la sortie Aussi, en régime critique, il faudrait toujours vérifier la vitesse du fluide pour la vanne choisie, car en effet, la vitesse dans une vanne de ¾ ‘’ n’est pas du tout la même que dans une vanne de 2’’: la vitesse étant t inversement proportionnelle à la section

v = 278000 W υ

s avec

v : vitesse de sortie du fluide (m/s) W : débit massique (T/h) υ : volume massique à P2 et température de service (m³/kg) s : section de passage (mm²)

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Symbolisation Vanne pneumatique autorégulatrice Action : OMA

Vanne de contrôle pneumatique Action : OMA

Vanne de contrôle pneumatique Action : FMA

Vanne pneumatique autorégulatrice Action : FMA Vanne motorisée (MOV: Motorized Valve) Action : OMA

Vanne de contrôle pneumatique équipée de positionneur Action : OMA

Vanne motorisée (MOV) Action : FMA

Vanne de contrôle pneumatique équipée de positionneur Action : FMA

Electrovanne 2 voies (SOV: Selenoid Valve) Vanne de sécurité Action : OMA Electrovanne 3 voies Vanne de sécurité Action : FMA Vanne manuelle

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