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MAINTENANCE INSTRUMENTATION VANNES ET ACTIONNEURS

MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI040 Révision 0

Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Vannes et Actionneurs

MAINTENANCE INSTRUMENTATION VANNES ET ACTIONNEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................6 2. INTRODUCTION .............................................................................................................7 2.1. SITUATION DANS UNE BOUCLE DE REGULATION..............................................7 2.2. DEFINITION..............................................................................................................8 2.3. ROLE DE LA VANNE................................................................................................8 2.4. CONTRAINTES.........................................................................................................8 2.4.1. Dues au fluide ...................................................................................................8 2.4.2. Dues à l’environnement sur la vanne ................................................................9 2.4.3. Dues à l’influence de la vanne sur l’environnement ..........................................9 2.4.4. Dues aux conditions de montage ......................................................................9 2.5. TECHNOLOGIE D’UNE VANNE DE REGULATION...............................................10 2.6. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION......................................12 2.6.1. Caractéristique intrinsèque de débit ................................................................12 2.6.1.1. Définition ....................................................................................................12 2.6.1.2. La caractéristique linéaire ..........................................................................12 2.6.1.3. La caractéristique égal pourcentage ..........................................................13 2.6.1.4. La caractéristique à ouverture rapide.........................................................14 2.6.1.5. Coefficient de réglage intrinsèque ou rangeabilité .....................................14 3. LES TYPES DE VANNE ................................................................................................15 3.1. VANNE À ACTION LINÉAIRE.................................................................................15 3.1.1. Vanne à clapet avec un corps à simple siège .................................................15 3.1.2. Vanne à clapet avec un corps à double siège .................................................17 3.2. VANNE À CAGE .....................................................................................................19 3.3. VANNE 3 VOIES .....................................................................................................21 3.4. VANNE À MEMBRANE...........................................................................................23 3.5. VANNE À PLAQUE OU À GUILLOTINE .................................................................24 3.6. VANNE MICRO DÉBIT À CV AJUSTABLE.............................................................25 3.7. VANNE ROTATIVE .................................................................................................27 3.7.1. Vanne papillon.................................................................................................27 3.7.2. Vanne à opercule sphérique dit « Vanne à boule ».........................................28 3.7.3. Vanne à clapet semi rotatif excentré ...............................................................30 4. LES TYPES DE CLAPETS ............................................................................................33 4.1. CLAPET LINEAIRE A OUVERTURE RAPIDE ........................................................34 4.2. CLAPET LINEAIRE .................................................................................................34 4.3. CLAPET LINEAIRE MODIFIE .................................................................................34 4.4. CLAPET EGAL POURCENTAGE ...........................................................................35 4.5. CLAPET PARABOLIQUE........................................................................................35 5. LES TYPES DE CAGES................................................................................................36 5.1. LA CAGE A OUVERTURE RAPIDE........................................................................36 5.2. LA CAGE LINEAIRE ...............................................................................................36 5.3. LA CAGE EGAL POURCENTAGE..........................................................................37 5.4. LA CAGE ANTI-BRUIT............................................................................................37 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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6. LE CHAPEAU ................................................................................................................38 6.1. LE PRESSE-ETOUPE ............................................................................................39 6.2. GARNITURE D’ETANCHEITE ................................................................................40 7. LE SERVOMOTEUR .....................................................................................................42 7.1. LE SERVOMOTEUR PNEUMATIQUE....................................................................43 7.1.1. Servomoteur à membrane classique ...............................................................43 7.1.1.1. Fonctionnement .........................................................................................44 7.1.1.2. Description .................................................................................................45 7.1.2. Servomoteur à membrane avec multi ressort..................................................46 7.1.3. Servomoteur à membrane déroulante .............................................................46 7.1.4. Servomoteur à piston ......................................................................................47 7.2. LE SERVOMOTEUR HYDRAULIQUE ....................................................................49 7.2.1. Constitution .....................................................................................................49 7.2.2. Fonctionnement...............................................................................................50 7.3. LE SERVOMOTEUR ELECTRIQUE .......................................................................51 7.3.1. Servomoteur avec moteur et réducteur ...........................................................51 7.3.2. Servomoteur à solénoïde ................................................................................52 7.4. SENS D’ACTION.....................................................................................................53 7.4.1. Sens d’action du corps de vanne ....................................................................53 7.4.2. Sens d’action du Servomoteur ........................................................................54 7.4.3. Du positionneur ...............................................................................................54 7.4.4. Cas particulier avec le servomoteur à piston ‘double effet’..............................55 7.5. POSITION DE SECURITE ......................................................................................55 7.5.1. Aspect sécurité de la vanne (corps + servomoteur) ........................................55 7.5.2. Aspect sécurité de la vanne avec son positionneur.........................................56 8. LES ACCESSOIRES DE VANNE ..................................................................................57 8.1. LE POSITIONNEUR................................................................................................57 8.1.1. Le positionneur pneumatique ..........................................................................58 8.1.1.1. Ses fonctionnalités .....................................................................................58 8.1.1.2. Constitution ................................................................................................58 8.1.1.3. Son principe de fonctionnement.................................................................59 8.1.1.4. Les Pannes ................................................................................................61 8.1.2. Le positionneur électropneumatique ...............................................................62 8.1.2.1. Constitution ................................................................................................62 8.1.2.2. Principe de Fonctionnement.......................................................................63 8.1.2.3. Les pannes.................................................................................................65 8.1.3. Le positionneur intelligent (numérique)............................................................65 8.1.3.1. Constitution ................................................................................................65 8.1.3.2. Principe de fonctionnement........................................................................66 8.1.3.3. Les pannes.................................................................................................68 8.2. LE CONVERTISSEUR ELECTROPNEUMATIQUE (I/P) ........................................68 8.3. LE LUBRIFICATEUR ..............................................................................................70 8.4. LE DETECTEUR DE POSITION .............................................................................71 8.4.1. Micro rupteur ...................................................................................................71 8.4.1.1. Micro rupteur sur une vanne linéaire..........................................................72 8.4.1.2. Micro rupteur sur une vanne rotative..........................................................73 8.4.2. Fin de course inductif ......................................................................................73 8.4.3. Fin de course capacitif.....................................................................................74 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.5. LE BOOSTER .........................................................................................................75 8.6. ELECTROVANNE OU ‘ ELECTRO-DISTRIBUTEUR ’............................................77 8.6.1. Distributeur pneumatique ................................................................................77 8.6.1.1. Son Rôle ....................................................................................................77 8.6.1.2. Le principe de fonctionnement ...................................................................78 8.6.1.3. Schématisations.........................................................................................79 8.6.1.4. Le distributeur 3/2 ......................................................................................79 8.6.1.5. Le distributeur 5/2 ......................................................................................79 8.6.2. Le pilotage des distributeurs............................................................................80 8.6.2.1. Le distributeur monostable .........................................................................81 8.6.2.2. Le distributeur bistable ...............................................................................81 8.6.3. Montage du distributeur...................................................................................82 8.6.4. La bobine.........................................................................................................83 8.7. COMMANDE MANUELLE.......................................................................................84 9. MAINTENANCE.............................................................................................................86 9.1. REMPLACEMENT DE GARNITURES D’ETANCHEITE .........................................86 9.2. ETALONNAGE DE VANNE ....................................................................................88 9.2.1. Etalonnage d’un convertisseur I / P.................................................................88 9.2.2. Etalonnage d’un positionneur électro-pneumatique ........................................90 9.2.2.1. Réglage du zéro.........................................................................................90 9.2.2.2. Réglage de l’échelle...................................................................................91 9.2.2.3. Remplacement de la bobine.......................................................................92 9.2.2.4. Alignement du balancier.............................................................................92 9.3. FONCTIONNEMENT DEFECTUEUX DU POSITIONNEUR I/P..............................93 9.3.1. Vérification du circuit pneumatique..................................................................93 9.3.2. Vérification du circuit électrique.......................................................................93 9.3.3. Nettoyage du circuit pneumatique ...................................................................95 9.3.3.1. L’orifice calibré ...........................................................................................95 9.3.3.2. Le pilote......................................................................................................95 9.4. ENTRETIEN SERVOMOTEUR POUR VANNE ROTATIVE ...................................97 10. TROUBLESHOOTING.................................................................................................99 10.1. CAVITATION ET VAPORISATION .......................................................................99 10.1.1. Variation de la pression statique dans une vanne .........................................99 10.1.2. Cavitation ......................................................................................................99 10.1.3. La Vaporisation ...........................................................................................100 11. DIMENSIONNEMENT DE VANNE ............................................................................101 11.1. LE Cv ET LE Kv D’UNE VANNE .........................................................................101 11.1.1. Qu’est-ce que le Cv d’une vanne ? .............................................................101 11.1.2. Qu’est-ce que le Kv d’une vanne ?..............................................................102 11.1.3. Les formules classiques de calcul de Cv de vanne .....................................103 11.1.4. Les formules de calcul de Cv d’après le constructeur Masoneilan ..............103 11.1.4.1. Pour les liquides en unités anglo-saxonnes ...........................................103 11.1.4.2. Pour les liquides en unités métriques.....................................................104 11.1.4.3. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités anglo-saxonnes ........................105 11.1.4.4. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités métriques .................................105 11.1.5. Calcul du Cv d’une vanne............................................................................106 11.1.5.1. Cv équivalent avec 2 vannes en parallèle ..............................................106 11.1.5.2. Cv équivalent avec 2 vannes en série....................................................107 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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11.2. CHOIX DE VANNE..............................................................................................107 12. TAG ET IDENTIFICATION DE VANNES...................................................................108 12.1. VANNES TOUT OU RIEN...................................................................................108 12.1.1. Blow Down Valve ........................................................................................108 12.1.2. Emergency Shut-Down Valve......................................................................108 12.1.3. Remote Operated Valve ..............................................................................108 12.1.4. Shut-Down Valve.........................................................................................109 12.1.5. Surface Safety Valve ...................................................................................109 12.1.6. Surface Controlled Sub-Surface Safety Valve.............................................109 12.2. VANNES DE RÉGULATION ...............................................................................110 13. ANNEXES..................................................................................................................111 13.1. CONSTANTES CRITIQUES DE CERTAINS CORPS LIQUIDE ET GAZ ...........114 14. EXERCICES ..............................................................................................................118 15. SOMMAIRE DES FIGURES ......................................................................................121 16. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................125 17. CORRIGE DES EXERCICES ....................................................................................126

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de connaître tous les types de vannes et d’actionneurs sur un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine des vannes et des actionneurs, le participant devra être capable de : Connaître tous les types de vannes de régulation qui existent, Savoir changer le sens d’action d’une vanne, Connaître les accessoires d’une vanne de régulation, Savoir faire la différence entre un convertisseur I/P et un positionneur électropneumatique, Savoir régler une vanne de régulation, Avoir des notions sur le calcul de Cv d’une vanne.

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2. INTRODUCTION 2.1. SITUATION DANS UNE BOUCLE DE REGULATION Dans une boucle de régulation, l'organe final de réglage est, le plus souvent, une vanne automatique qui, par action sur le débit d'un fluide (gaz ou liquide) permet de réguler la grandeur mesurée : Pression Débit Niveau Température, etc. La vanne automatique est l’élément final d’une régulation, c’est elle qui agit directement sur le procédé. Dans une boucle de régulation, elle a autant d’importance que le « capteur-transmetteur » et que le « régulateur ». W

Y REGULATEUR

ORGANE DE COMMANDE « Vanne »

GR PROCEDE

X

ORGANE DE MESURE « Capteur Transmetteur » Figure 1: Position de la « vanne de régulation » dans la boucle de régulation W Y GR X

: La consigne : Le signal de commande provenant du régulateur : La grandeur réglante : La mesure provenant du capteur-transmetteur

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2.2. DEFINITION Les vannes sont des organes comportant un orifice de dimension variable, elles permettent le réglage de débit des fluides. Elles sont l’actionneur de la plupart des régulations, ce qui leur confère une importance considérable. C’est pourquoi les catalogues des constructeurs de vannes sont fort bien fait et constituent la meilleure documentation sur ce sujet. Le rôle de l’instrumentiste se limite souvent à l’entretien et le réglage des vannes installées. On constate parfois, en observant le fonctionnement de régulations peu performantes, que la vanne travaille de façon anormale : presque toujours très près de la fermeture, ou au contraire trop souvent ouverte en grand.

2.3. ROLE DE LA VANNE Une vanne de régulation modifie un débit fluide (grandeur réglante), en fonction du signal provenant d’un régulateur (signal de commande) ou d’un émetteur et ceci quelques soient les contraintes liées à la circulation du fluide

2.4. CONTRAINTES 2.4.1. Dues au fluide Le fluide est soit un liquide, soit un gaz (ou vapeur) ou soit un mélange biphasique (liquide-solide, eau-vapeur) et ceci dépendant, de certaines conditions de service, de la composition chimique du fluide. Exemples : Fluide corrosif : attaque ou non des matériaux, Fluide toxique : danger en cas de fuite ; classe d’étanchéité, Fluide inflammable Fluide explosif : en présence d’air ou d’une étincelle, Fluide dangereux : au sens de transformation moléculaire ou réaction avec d’autres produits (ex : Oxygène (O2) avec de la graisse), Fluide visqueux Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Fluide chargé de particules solides : érosion, encrassement…. Changement de phase : solidification, vaporisation, cavitation…. Pression Température : Haute, très haute, ou très basse (cryogénie), Alimentaire.

2.4.2. Dues à l’environnement sur la vanne Atmosphère Explosive, Atmosphère Corrosive, Atmosphère Sèche ou Humide, Atmosphère Saline (entreprise en front de mer), Les vibrations, Les parasites (moteur électrique, orage,…).

2.4.3. Dues à l’influence de la vanne sur l’environnement Bruit : décibel acoustique (dBA), Vibration : problème de serrage de vis.

2.4.4. Dues aux conditions de montage Diamètre nominal de tuyauterie Place restante pour les vannes d’isolement, de by-pass. Toutes ces conditions vont être déterminantes pour le choix et le type de vanne à utiliser sur un process d’exploitation.

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2.5. TECHNOLOGIE D’UNE VANNE DE REGULATION La vanne est décomposée en deux ensembles distincts : Le corps L’actionneur

Figure 2: Technologie d’une vanne de régulation Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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L’ACTIONNEUR

LE CORPS

Figure 3: Les deux ensembles d’une vanne de régulation L’actionneur est un élément permettant de moduler la section de passage en modifiant la position de la tige support de l’obturateur. Le corps englobe le corps de la vanne avec ses sièges, obturateur, goujons,… et le chapeau de presse-étoupe. Note : Le débit circulant dans le corps est fonction de la section de passage mais aussi de la pression de la bride amont. C’est l’élément de la vanne connectée à tuyauterie et à travers lequel circule le fluide. Les vannes de petite dimension sont connectées par raccords "union". Les vannes de grande dimension sont connectées par brides ou par soudage.

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Remarque : L’actionneur peut être : Un simple volant : vanne dite « manuelle », Un électro-aimant : excité ou non, vanne électrique tout ou rien, Un vérin Un moteur électrique Un servomoteur : Nom donné généralement à l’instrument situé au dessus du corps et travaillant en pneumatique. Le Vérin, le moteur électrique, le servomoteur, étant tous les trois ‘ motorisés ’, permettent la commande à distance, et seront par conséquent employés en régulation analogique et numérique.

2.6. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION 2.6.1. Caractéristique intrinsèque de débit 2.6.1.1. Définition C’est la loi représentant le débit en fonction de la course du clapet (ou obturateur), à ∆P constante. Il existe trois caractéristiques fondamentales : La caractéristique linéaire, La caractéristique égal pourcentage (égal %), La caractéristique à ouverture rapide.

2.6.1.2. La caractéristique linéaire Le débit évolue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est une droite. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des accroissements égaux de débit.

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Figure 4: Caractéristique de débit linéaire

2.6.1.3. La caractéristique égal pourcentage La caractéristique est une exponentielle. Des accroissements égaux du signal vanne provoquent des accroissements égaux de débit relatif.

Figure 5: Caractéristique de débit égal pourcentage Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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2.6.1.4. La caractéristique à ouverture rapide

Figure 6: Caractéristique de débit à ouverture rapide Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pour atteindre alors environ 80% du débit maximum. Elle est aussi appelée « caractéristique de débit Tout Ou Rien ». Cette caractéristique est très utilisée pour la sécurité avec des vannes Tout Ou Rien.

2.6.1.5. Coefficient de réglage intrinsèque ou rangeabilité Une vanne de régulation ne peut assurer un réglage efficace que pour une plage de débit déterminée. Cela est traduit par un coefficient R. R = (débit maximal contrôlable) / (débit minimal contrôlable) La rangeabilité exprime la capacité d’une vanne à contrôler les faibles débits. Ainsi une vanne dont la rangeabilité est de 100 permettra le contrôle d’un débit minimum 100 fois plus faible que le débit maximum. On dira également que la plage de réglage est de 1 à 100.

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3. LES TYPES DE VANNE Nous allons voir dans un premier temps les différents types de corps de vanne. La taille du corps de la vanne de régulation est proportionnelle au déplacement de l’obturateur. On distingue en outre : Les corps longitudinaux : déplacement de l’obturateur en translation. Le plus souvent appelé « Vanne Linéaire », Les corps angulaires : Déplacement de l’obturateur en rotation. Le plus souvent appelé « Vanne Rotative ».

3.1. VANNE À ACTION LINÉAIRE Elles sont encore appelées « vannes classiques ». L’obturateur est un clapet déplacé par le servomoteur par un mouvement de translation.

3.1.1. Vanne à clapet avec un corps à simple siège AVANTAGES

INCONVENIENTS

Bonne à très bonne étanchéité

Pertes de charges relativement importantes

Construction relativement facile

Nécessité de servomoteur de taille importante (forte pression sur le clapet)

Table 1 : Avantages et Inconvénients du simple siège La position du clapet devant le siège détermine la section de passage du fluide. L L’étanchéité au niveau de la tige est assurée par la garniture de téflon (par exemple). La forme du clapet définit la caractéristique statique de la vanne. On peut obtenir une bonne étanchéité de la vanne fermée car le clapet s’appuie sur la portée du siège. Figure 7: Déplacement du fluide dans un corps à simple siège Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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La poussée du fluide sur le clapet peut être très forte en cas de pertes de charges importantes, impliquant la nécessité d’utiliser un servomoteur puissant. Sur la figure, nous voyons bien comment le fluide se déplace en traversant le corps de vanne à simple siège. Cela nous permet de mieux voir le fonctionnement de la vanne quand la tige de clapet se lève et libère ainsi le clapet de son siège.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tige de clapet 11 Joints de corps Goujons de bride de PE 12 Guide de clapet Écrou de bride de PE 13 Cage Bride de presse-étoupe 14 Siège Grain de presse-étoupe 15 Joint de siège Garniture de presse-étoupe 16 Clapet Entretoise de presse-étoupe 17 Goupille de clapet Chapeau 18 Corps Goujons de corps 19 Écrou d’arcade Écrou de goujons de corps Figure 8: Corps à simple siège

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3.1.2. Vanne à clapet avec un corps à double siège

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tige de clapet Écrou de bride de PE Bride de presse-étoupe Goujon de bride de PE Écrou d’arcade Chapeau Corps Goupille de clapet Clapet Bride de fond

11 12 13 14 15 16 17 18 19

Écrou de goujon de corps Goujon de corps Joint de corps Guide de clapet Siège inférieur Siège supérieur Garniture de presse-étoupe Entretoise de garniture Grain de presse-étoupe

Figure 9: Corps à double siège Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Les forces sur le système d’obturation tendent à s’équilibrer du fait que le fluide essaye d’ouvrir un clapet et de fermer l’autre. Ces faibles forces permettent une meilleure stabilité de la vanne et de choisir un servomoteur de plus faible diamètre pour une vanne de même capacité. La plupart des systèmes d’obturation sont également réversibles Elles ne permettent pas une très bonne étanchéité à la fermeture due au fait que les deux clapets ne peuvent jamais porter en même temps sur les deux sièges.

Figure 10: Déplacement du fluide dans un corps à double siège Cette figure représente le même principe de déplacement de fluide à part que nous avons un corps à double siège.

AVANTAGES

INCONVENIENTS

Équilibrage presque parfait des forces

Moins étanche à la fermeture que la simple siège

Ne nécessite pas de gros servomoteur

Construction plus complexe

Table 2 : Avantages et Inconvénients du double siège

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3.2. VANNE À CAGE C’est une vanne de type simple siège / clapet qui associe les avantages de la vanne double siège / clapet. Le système d’obturation permet un excellent guidage du clapet (piston) et un échange rapide de la cage (cylindre). La possibilité d’installer un joint torique autour du piston réduit les possibilités de fuite. Le piston est équilibré, car la pression avale agit de part et d’autre de ces faces. La direction préférentielle du débit se fait de l’extérieur vers l’intérieur du piston pour assurer une meilleure stabilité. Les ouvertures de la cage sont usinées en fonction de la caractéristique de débit. Figure 11: Vanne à cage Remarque : Il existe différents types de cage : cage équilibrée ou non, cage simple ou double portée, cage anti-bruit, cage anti-cavitation.

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AVANTAGES

INCONVENIENTS

Excellente aptitude à résister aux pertes de charge importantes

Conception plus complexe

Excellente étanchéité

Corps droit non réversible

Antibruit

Risque de coincement de l'obturateur dans la cage avec des fluides chargés de particules solides

Équilibrage grâce aux trous dans l'obturateur Anti-cavitation Le changement de cage est aisé Anti-flash Peut être utilisée dans les conditions extrêmes : vitesse jusqu’à 130 m/s température d’utilisation -200 à + 600°C pression jusqu’à 2500 bar Maintenance facile et rapide Table 3 : Avantages et Inconvénients de la vanne à cage

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3.3. VANNE 3 VOIES Les vannes 3 voies sont conçues pour réguler soit un mélange, soit une dérivation de fluide. On remarquera en particulier que ce type de vanne possède une grande capacité de débit et une faible récupération. La capacité de débit est l’une des meilleures des vannes 3 voies actuelles. La récupération de pression est réduite. Ces vannes ont aussi été conçues pour être installées avec le fluide tendant à ouvrir le clapet double (vanne de mélange) ou chacun des clapets (vanne de dérivation). Ce montage apporte l’avantage d’un fonctionnement stable de la vanne.

Figure 12: Vanne 3 voies mélangeuse Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 13: Vanne 3 voies de dérivation

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3.4. VANNE À MEMBRANE La vanne à membrane est une alternative de la vanne à boisseau sphérique. Elle est utilisée comme vanne Tout ou Rien sur des petites utilités (exemple : injection eau chaude pour nettoyage séparateur à bride de transmetteur de niveau, etc….). Elle est pilotée par une « électrovanne » (voir chapitre accessoire de vanne). Quand on demande l’ouverture, la bobine de l’électrovanne est excitée et envoi donc l’air du distributeur dans la tête de vanne et ceci déforme la membrane, ce qui laisse passer le fluide à travers le corps de la vanne. Elle est utilisée dans le cas de fluides très chargés de particules solides, ou très corrosifs. La section de passage est obtenue entre une membrane déformable en caoutchouc synthétique généralement et la partie inférieure du corps de vanne. Figure 14: Vanne à membrane Fs

Membrane souple

FP

Figure 15: Schéma principe de la vanne à membrane La force "Fs" développée par le servomoteur doit vaincre la force "Fp" créée par la pression statique sur la membrane.

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AVANTAGES

INCONVENIENTS

Accepte n’importe quel type de produit

Vanne qui évolue avec son usage (dû à l’élasticité de la membrane)

Peu de pertes de charge

Température inférieure à 120°C

Solution peu coûteuse

Caractéristique quelconque

supprime les presse étoupes d'où le risque de fuites éventuelles

Précision de réglage très médiocre Pression maximale supportable faible Caractéristique statique mal définie

Table 4 : Avantages et Inconvénients de la vanne à membrane

3.5. VANNE À PLAQUE OU À GUILLOTINE

Figure 16: Vanne guillotine

AVANTAGES Faible perte de charge (passage direct) INCONVENIENTS Casse brutalement la veine de fluide Table 5 : Avantages et Inconvénients de la vanne à guillotine

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3.6. VANNE MICRO DÉBIT À CV AJUSTABLE

1 2 3 4 5 6 7 8

Corps Siège Clapet Joint de siège Bague de serrage du siège Garnitures Grain de presse-étoupe Entretoise de presse-étoupe

9 10 11 12 13 14 15

Bride de presse-étoupe Goujons de la bride de presse-étoupe Écrou de goujons de presse-étoupe Bouchon de sécurité Réglage du coefficient de vanne Couvercle Commande manuelle

Figure 17: Vanne microdébit à Coefficient de vanne variable (Varipak) Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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La possibilité d'ajustement du Cv sur cette vanne à pointeau permet de s'affranchir des incertitudes liées au dimensionnement de la vanne, incertitudes conduisant souvent à choisir une vanne se révélant trop grande et travaillant à une ouverture trop faible Le coefficient de débit Cv de la Varipak est ajustable sans modification du signal pneumatique de commande. Cette opération manuelle très facile peut s’effectuer avant l’installation mais aussi lorsque la vanne est en fonctionnement. Le clapet sur ce type de vanne est un pointeau. Figure 18: Exemple de vanne à microdébit

Figure 19: Réglage du Cv Pour savoir ce qu’est le Cv d’une vanne, veuillez vous référer dans le chapitre de ce cours ‘Dimensionnement de Vanne’. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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3.7. VANNE ROTATIVE 3.7.1. Vanne papillon L'obturateur est un disque dont le diamètre est égal au diamètre intérieur de la conduite. Ë la fermeture, ce disque a sa surface perpendiculaire au sens du passage du fluide. La variation de la section de passage se fait par inclinaison de ce disque par rapport à la verticale. La tige de l'obturateur effectue un mouvement de rotation, ce qui est nettement préférable pour le presse étoupe (meilleure étanchéité). Cette rotation est souvent limitée à un angle d'ouverture de 60° à cause de l'importance du couple exercé par le fluide.

Figure 20: Vanne papillon

AVANTAGES

INCONVENIENTS

Vanne à passage direct (la veine de fluide est peu perturbée à pleine ouverture)

Tendance à la cavitation

Papillon tournant avec ou sans butée (la butée assure une meilleure étanchéité)

Le mauvais équilibrage limite la pression différentielle admissible, même lorsque, par sa forme, le papillon est équilibré.

Conception simple et robuste Vanne utilisée surtout pour les gaz et les conduites de gros diamètre Table 6 : Avantages et Inconvénients de la vanne papillon Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Ce type de vanne n'est réalisable que pour des grands diamètres DN > 4". Vu la surface de l'obturateur et la forme de celui-ci, il ne peut être utilisé pour des pressions très élevées. Du fait de la grande longueur de portée du papillon sur le corps (qui forme aussi le siège), l'étanchéité à la fermeture est délicate à obtenir, donc mauvaise le plus souvent. A noter aussi un frottement du à la force de poussée du liquide qui plaque la tige de obturateur contre la garniture (effort transversal).

3.7.2. Vanne à opercule sphérique dit « Vanne à boule »

Figure 21: Vanne à boule

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Contient une sphère ou boule de diamètre nominal généralement égal à celui de la tuyauterie. La boule peut pivoter de 90° par l’intermédiaire d’une tige accouplée à un servomoteur. La boule est en contact continu avec un joint torique qui assure une excellente étanchéité. Les vannes à boule standard sont utilisées dans les systèmes de sécurité (TOR) ou comme vanne de régulation. Les vannes à boule modifiée avec une échancrure en "V" ont une caractéristique égale pourcentage et conviennent aux fluides visqueux, chargés de particules solides ou de fibres. Le fluide a tendance à fermer le système d’obturation, le servomoteur doit s’opposer à cet effet Figure 22: Exemple de vanne à boule

AVANTAGES

INCONVENIENTS

Obturateur constitué d’une sphère creuse entaillée selon la caractéristique intrinsèque désirée

Tendance à la cavitation

Vanne à passage direct, pour fluide visqueux ou fibreux Bonne étanchéité Forte pression différentielle admissible Table 7 : Avantages et Inconvénients de la vanne à boule

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3.7.3. Vanne à clapet semi rotatif excentré

Figure 23: Vanne à opercule sphérique excentré Le principe de fonctionnement est basé sur un obturateur sphérique, à mouvement rotatif excentré, dans un corps à passage direct. La partie sphérique de l’obturateur est reliée par un ou deux bras flexibles emmanché sur l’arbre. L’actionneur pousse plus ou moins le levier en fonction du signal pneumatique qu’il reçoit, ce qui entraîne une rotation de l’arbre et donc une rotation de l’obturateur. Un léger jeu latéral du moyeu sur l’arbre permet l’auto centrage de l’obturateur. L’étanchéité rigoureuse entre siège et obturateur est obtenue par déformation élastique des bras de l’obturateur. Le siège, légèrement chanfreiné est fixé dans le corps au moyen d’une bague de serrage filetée. Ce type de vanne est couramment utilisé en industrie, elle est universelle. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 24: Vue en coupe de l’opercule sphérique excentré

Figure 25: Schéma de fonctionnement de la vanne à opercule sphérique excentré

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AVANTAGES

INCONVENIENTS

Vanne à passage direct, de faible encombrement, généralement monté entre brides

Tendance à la cavitation supérieure aux vannes droites, mais inférieures aux vannes papillon

Convient aux fluides visqueux et chargés Bonne étanchéité avec une portée recouverte de téflon ou de plastique Table 8 : Avantages et Inconvénients de la vanne à opercule excentré

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4. LES TYPES DE CLAPETS Pour obtenir les 3 caractéristiques fondamentales que nous venons de voir précédemment, il nous faut changer sur une vanne le type de clapet. C’est le clapet qui va modifier le débit du fluide traversant le corps de vanne.

LINEAIRE MODIFIEE

DEBIT EN%

PARABOLIQUE MODIFIEE

OUVERTURE RAPIDE

LINEAIRE

EGAL POURCENTAGE

COURSE DE LA VANNE EN %

Figure 26: Les divers clapets et la caractéristique de débit

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4.1. CLAPET LINEAIRE A OUVERTURE RAPIDE Une augmentation maximum de débit est produite par une course d’environ 30%, puis cette augmentation diminue au fur et à mesure que la course approche de 100 %. Utilisés principalement dans les boucles de régulation TOR, et les systèmes de sécurité. G U ID E S U P E R IE U R

G U ID E D U C LA P E T

C LA P E T S IM P L E G U ID E IN F E R IE U R

C LAPET D O U BLE

Figure 27: Clapet à ouverture rapide

4.2. CLAPET LINEAIRE Le débit est directement proportionnel à l’ouverture de la vanne tout le long de sa course. Utilisés dans les boucles de régulation de niveau et d’une façon générale dans les procédés ayant un gain constant. Figure 28: Clapet linéaire

4.3. CLAPET LINEAIRE MODIFIE Réalisent un compromis entre caractéristique linéaire et ouverture rapide. Dans les zones extrêmes de débit élevé et plus particulièrement de débit faible, une grande course produit une faible variation de débit.

CLAPET SIMPLE

Figure 29: Clapet linéaire modifié CLAPET DOUBLE

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4.4. CLAPET EGAL POURCENTAGE Des augmentations égales de course produisent des augmentations égales de débit. Près de la fermeture, les variations de débit sont faibles; de 0 à 30% de course, le débit passe de 0 à environ 9%. Figure 30: Clapet égal pourcentage Près de l’ouverture, les variations de débit sont relativement importantes; entre 80 et 100 % de course, le débit varie d’environ 50 %. Utilisés dans les boucles de régulation de pression et d’une façon générale dans les procédés où seulement une faible proportion de la perte de charge totale peut être absorbée par la vanne. Figure 31: Clapet égal pourcentage tourné en V

4.5. CLAPET PARABOLIQUE Compromis entre caractéristique linéaire et égal pourcentage, ils présentent une caractéristique linéaire aux fortes valeurs de débit et de course. Utilisés dans les boucles de régulation de pression, de débit et, d’une façon générale dans les procédés où une forte proportion de la perte de charge totale peut être absorbée par la vanne.

Figure 32: Clapet parabolique

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5. LES TYPES DE CAGES Comme le clapet, les vannes à cages possèdent différents types de cages qui vont modifier la caractéristique de débit. Les caractéristiques ouverture rapide, linéaire, et égal pourcentage sont déterminés par la forme des ouvertures de la cage

5.1. LA CAGE A OUVERTURE RAPIDE

Figure 33: Cage à ouverture rapide

5.2. LA CAGE LINEAIRE

Figure 34: Cage linéaire Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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5.3. LA CAGE EGAL POURCENTAGE

Figure 35: Cage égal pourcentage

5.4. LA CAGE ANTI-BRUIT

Figure 36: Cage anti-bruit

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6. LE CHAPEAU Élément installé sur le sommet du corps de vanne, il permet l’étanchéité de la tige de clapet. Sert de guide à la tige de clapet(s), contient le presse étoupe et supporte le servomoteur. Pour des températures >= 200 °C, des ailettes de refroidissement sont utilisées Pour des températures 230 °C). La matière du presse-étoupe (terme exact ‘ garniture d’étanchéité ‘) est étudié en fonction du fluide. Périodiquement, la pression sur les rondelles doit être réglée correctement pour minimiser les fuites; par l’intermédiaire de la bride et du fouloir Figure 38: Le presse-étoupe d’une vanne Pour une étanchéité absolue, un soufflet solidaire de la tige de clapet (on appelle ça une "extension" ou un "soufflet d'extension"). Le soufflet d’étanchéité assure une étanchéité totale entre la tige de vanne et le chapeau. Cette technologie est proposée typiquement pour les applications où circulent des fluides toxiques, inflammables ou explosifs pour lesquels toute fuit peut avoir des conséquences graves pour le personnel et l’environnement.

Le soufflet Figure 39: Le soufflet d’étanchéité

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6.2. GARNITURE D’ETANCHEITE En maintenance, nous connaissons mieux les garnitures d’étanchéité sous le nom de ‘Tresses’. Vous avez deux types de garnitures d’étanchéité : Les rondelles de presse-étoupe : elles sont déjà toutes faites avec le diamètre que vous désirez.

Figure 40: Rondelles de presse-étoupe en graphite et PTFE Les tresses : elles sont sous forme de bobines et c’est à l’instrumentiste de couper la bonne longueur de tresse pour que cela corresponde au diamètre du fouloir.

Figure 41: Exemple de tresses en graphite et PTFE Les deux types de tresses que nous venons de voir sur la figure ci-dessus sont les plus couramment utilisés. La tresse graphite sert beaucoup sur des vannes qui se trouvent en chaufferie avec de très hautes températures et des hautes pressions. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Pour tout le reste, nous utilisons la tresse en PTFE (téflon).

Il est important en maintenance de vérifier les garnitures car nous avons l’habitude de nous dire ‘ oh j’ai du resserré le presse étoupe de tel vanne car il fuyait un peu’. Mais ce qu’il faut savoir c’est qu’à force de resserrer les presse-étoupe de vanne, les tresses vont se tasser et ne seront plus étanche.

Figure 42: Mauvaise étanchéité, fuite au presse-étoupe Vous voyez sur la figure ci-dessus le résultat d’une vanne non entretenue.

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7. LE SERVOMOTEUR Le servomoteur est l'organe permettant d'actionner la tige de clapet de la vanne. L'effort développé par le servomoteur à deux buts : Lutter contre la pression agissant sur le clapet ; Assurer l'étanchéité de la vanne ; Ces deux critères conditionnent le dimensionnement des servomoteurs. Le fluide moteur peut être ; de l'air, de l'eau, de l'huile, du gaz. En général, le fluide d’alimentation (1,4 bar ou 2.1 bar) est de l'air et la pression de commande varie de 0,2 bar à 1 bar. On distingue : Le servomoteur classique à membrane, conventionnel (à action direct ou inverse), Le servomoteur à membrane déroulante, surtout utilisé pour les vannes rotatives (exemple : vanne masoneilan CAMFLEX), Le servomoteur à piston, utilisé lorsque les efforts à fournir sont très importants. La pression de commande peut être importante. Le fluide moteur peut être de l'air, de l'eau ou de l'huile, Le servomoteur électrique, utilisé pour les vannes rotatives. On associe à un moteur électrique avec un réducteur permettant ainsi d'obtenir des couples très importants, Le servomoteur Hydraulique, utilisé sur des vannes de shutdown.

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7.1. LE SERVOMOTEUR PNEUMATIQUE 7.1.1. Servomoteur à membrane classique

Figure 43: Servomoteur à membrane

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7.1.1.1. Fonctionnement La membrane du servomoteur est soumise à 2 forces : D'un côté, la force due à la pression régnant dans le servomoteur (pression modulée venant du régulateur). Elle est proportionnelle à la pression d'air et à la surface de la membrane (F= P x S). De l'autre côté, la force due à la compression du ressort qui est d'autant plus importante lorsque le ressort est comprimé. Pour une pression d'air donnée dans le servomoteur, le ressort se contracte d'une longueur telle que la force résultante (proportionnelle au raccourcissement du ressort) soit égale à la force motrice correspondante. Pour chaque valeur de la pression, le déplacement de la membrane est transmis par la tige au clapet, dont la course est ainsi proportionnelle à la pression d'air qui s'exerce sur la membrane. Pour des vannes travaillant en Split-Range (voir cours ‘le régulateur et ses fonctions’), l'étalonnage de la vanne consiste à ajuster : La tension du ressort, Et la longueur de la tige de clapet. Un système de réglage permet d'ajuster la tension du ressort. En l'absence de toute autre résistance sur la tige ou le clapet, la tige de vanne parcourt toute sa course quand la pression d'air varie de 200 à 1000 mbar. Cela donne la correspondance suivante :

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7.1.1.2. Description Le servomoteur à membrane déroulante est le plus couramment utilisé.

Figure 44: Schéma simplifié sur servomoteur à membrane Ce servomoteur est constitué de : Une membrane en caoutchouc, Un ressort de rappel, Un réglage de course de tige de clapet.

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7.1.2. Servomoteur à membrane avec multi ressort Cette conception de servomoteur pneumatique à multiples ressorts de rappel réduit les efforts sur la tige de clapet. Sa membrane déroulante subit moins d’effort donc elle s’use moins vite.

Figure 45: Vue en coupe d’un servomoteur à multiple ressort de rappel

7.1.3. Servomoteur à membrane déroulante

Plateau de membrane Tige du ressort

Accouplement avec levier de la vanne

Ressort Figure 46: Servomoteur à membrane déroulante

Le servomoteur à membrane déroulante est constitué d'un cylindre serré entre 1 flasque par 4 vis BTR. La membrane déroulante est fixée à la fois au cylindre et au piston solidaire de la position du ressort.

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Contrairement au servomoteur classique où le déplacement de l'ensemble plateau membrane est faible, le Servomoteur dispose d'une course importante. L’accouplement du servomoteur au levier de la vanne se fait par l’intermédiaire d’un petit cylindre emmanché avec un cerclips. Ceci permet une plus grande précision du positionnement de l'obturateur. La membrane déroulante est de plus en plus utilisée, on la trouve sur les vannes à opercule sphérique et opercule sphérique excentré (vanne rotative). Son coût est relativement faible et nous avons une facilité et une rapidité de maintenance énorme.

7.1.4. Servomoteur à piston

Figure 47: Servomoteur à piston Les servomoteurs à piston fonctionnent à des pressions beaucoup plus élevées que ceux à membrane. Ces pressions pneumatiques ou hydrauliques peuvent être de plusieurs dizaines de bar. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Ils sont capables de développer des forces et des courses beaucoup plus importantes permettant de vaincre de très fortes chutes de pression à travers le corps de vanne. Les vannes de sécurité utilisent des pistons: simple effet avec ressort de rappel qui permet de revenir à la position de sécurité de la vanne en cas de manque d’air. Figure 48: Schéma simplifié servomoteur à piston simple effet pour vanne linéaire double effet avec accumulateur hydraulique ou réservoir pneumatique qui sont utilisés en cas de manque de pression pour ramener la vanne dans sa position de sécurité.

Air pour ouverture de la vanne

Air pour fermeture de la vanne Figure 49: Servomoteur à piston double effet pour vanne rotative Sans ressort de rappel, il n’y a pas de position de sécurité possible. Le servomoteur double effet a pour particularité d’avoir deux entrées d’air car nous envoyons de l’air d’un côté du piston pour ouvrir la vanne et de l’autre côté du piston pour fermer la vanne, cela est normal car nous n’avons pas de ressort de rappel. Les servomoteurs à piston sont très souvent associés avec des vannes papillon. Ils peuvent être utilisés en vanne Tout Ou Rien, ou alors aussi en vanne de régulation avec un positionneur électro-pneumatique. Généralement, quand nous avons un servomoteur à piston comme vanne de régulation c’est que les conditions de service ont des pressions très élevées sur des gros diamètres de tuyauterie. Ils sont comme les servomoteurs à membrane car ils peuvent être montés soit sur une vanne à déplacement linéaire ou soit sur une vanne à déplacement angulaire (rotative). Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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7.2. LE SERVOMOTEUR HYDRAULIQUE 7.2.1. Constitution

Figure 50: Servomoteur hydraulique Un servomoteur hydraulique est composé de : Une pompe hydraulique, Un réservoir hydraulique, Un distributeur hydraulique, Une commande de vanne, L’actionneur composé de un ou deux cylindres. Ce type de servomoteur est utilisé sur des process de très hautes pressions, la pression de service peut aller jusqu’à une centaine de bars. Et aussi sur basse pression mais l’ouverture de vanne est plus longue car un système hydraulique a beaucoup de couple. Comme pour le servomoteur à piston, le servomoteur hydraulique peut être à cylindre simple effet ou double effet.

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7.2.2. Fonctionnement In this simple hydraulic actuator, a stream of hydraulic fluid can be directed into either of two chambers. If hydraulic fluid is added to chamber 1, the piston moves right, closing the valve. When hydraulic fluid is added to chamber 2, the action is reversed. Hydraulic pressure pushes the piston to the left and the valve opens. Pour plus de détail sur l’actionneur hydraulique, veuillez vous reporter sur le cour « Hydraulique et Pneumatique ».

Figure 51: Schéma de principe de commande d’un servomoteur hydraulique

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7.3. LE SERVOMOTEUR ELECTRIQUE 7.3.1. Servomoteur avec moteur et réducteur

Figure 52: Servomoteur électrique avec moteur et réducteur L’avantage de cet actionneur est que nous avons juste besoin d’un signal électrique pour faire ‘tourner’ le moteur et la vanne associée peut ainsi soit ouvrir soit fermé. Ce type de moteur est réversible car il tourne dans les deux sens de rotation. Il est équipé d’un réducteur qui permet de réduire le couple afin d’éviter que le moteur électrique ne force sur sa crémaillère. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Ce type d’actionneur est souvent utilisé sur des vannes de sécurité Tout Ou Rien. Figure 53: Exemple de servomoteur électrique

7.3.2. Servomoteur à solénoïde On appelle solénoïde un enroulement de fil électrique à spires jointives enroulées sur un cylindre. L’induction du champ magnétique créée par une solénoïde est proportionnelle au nombre de spires le composant et à l’intensité le parcourant et inversement proportionnel à sa longueur. Le solénoïde est directement monté sur le corps de vanne. Le corps de vanne est doté d’une membrane avec un ressort de rappel. Cette membrane est assemblée à un noyau où le solénoïde est emmanché. Figure 54: Vanne avec servomoteur à solénoïde Nous pouvons qualifier ce type de vanne comme une ‘vanne électromagnétique’. En alimentant le solénoïde par un signal électrique, cela va provoquer un champ magnétique qui permettra d’agir sur le ressort et ce qui engendre une déformation de la membrane. En déformant la membrane ou non, cela va soit ouvrir ou fermé le clapet de la vanne. Ce type de vanne est utilisé sur des basses pressions et à l’avantage d’une ouverture ou fermeture rapide du clapet de la vanne. La vanne est monté en ligne sur des petites utilités (ex : alimentation gaz pilote de chaudière, remplissage en eau de bac tampon d’une pompe à vide, etc….). Le solénoïde peut être alimenter en 230VAC, 110VAC ou 48 VAC (voir document constructeur). Figure 55: Exemple de servomoteur à solénoïde

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7.4. SENS D’ACTION 7.4.1. Sens d’action du corps de vanne Le sens d’action du corps de vanne dépend du système d’obturation (clapet + siège). Corps de vanne à action directe: une sortie de la tige de clapet provoque la fermeture du système d’obturation.

Figure 56: Corps de vanne à action directe Sur la figure de gauche, vous aviez remarqué que c’est un corps de vanne à simple siège et sur la figure de droite un corps à double siège Corps de vanne à action inverse: une sortie de la tige de clapet provoque l’ouverture du système d’obturation.

Figure 57: Corps de vanne à action inverse Remarque : Certains corps sont réversibles, c'est-à-dire, que par simple démontage du clapet il est aisé de changé l’action.

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7.4.2. Sens d’action du Servomoteur En cas de panne d'air, par action du ressort antagoniste, le servomoteur prend une position extrême permettant d'amener l'obturateur en position de fermeture ou d'ouverture complète. Ces types de servomoteurs ne posent donc pas de problème particulier pour le respect de la spécification, servomoteurs directs ou inverses Servomoteur à action direct : l’action est directe lorsque la pression d’air modulé de commande augmente, la tige du clapet descend Figure 58: Servomoteur direct Servomoteur à action inverse: l’action est inverse lorsque la pression d’air module de commande augmente, la tige du clapet monte

Figure 59: Servomoteur inverse

7.4.3. Du positionneur Positionneur direct : Lorsque le signal d’entrée augmente, le signal de sortie augmente. Positionneur inverse : Lorsque le signal d’entrée augmente, le signal de sortie diminue. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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7.4.4. Cas particulier avec le servomoteur à piston ‘double effet’ En cas de panne d'air, le piston prend une position quelconque selon la force exercée par le fluide sur l'obturateur de la vanne. Afin de forcer la position de l'obturateur, il est donc nécessaire de prévoir un dispositif comprenant une réserve d'air comprimé et des éléments de commutation permettant d'amener la vanne à la position choisie en cas de panne d'air de réseau de distribution.

7.5. POSITION DE SECURITE 7.5.1. Aspect sécurité de la vanne (corps + servomoteur) Quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur, le ressort ramène la vanne dans sa position ouverte ou fermée, cette position étant définie à la construction. Une vanne "Fail Closed" ou fermée par manque d’air, se ferme quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur. Une vanne "Fail Open" ou ouverte par manque d’air, s’ouvre quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur. Le choix dépend essentiellement des conditions de sécurité pour le procédé. NORMALEMENT OUVERTE

NORMALEMENT FERMEE

VANNE FERMEE

VANNE OUVERTE

Figure 60: Position de sécurité de la vanne Remarque : Lorsque le positionneur est électro-pneumatique, il y a de grande chance qu’il soit de signe direct

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-Air Ouvre – Vanne Fail Closed

- Air Ferme Vanne Fail Open

Servomoteur Direct

Clapet Inverse

Clapet direct

Servomoteur Inverse

Clapet direct

Clapet inverse

Figure 61: Différentes possibilités de position de sécurité d’une vanne

7.5.2. Aspect sécurité de la vanne avec son positionneur Sens Action du positionneur

Aspect sécurité de la vanne

P

S

Direct

Chronogramme des états particuliers

Direct

Pas d’alimentation Ouverte

4 mA 200 mbar Ouverte

20 mA 1000 mbar Fermée

Direct

Inverse

Fermée

Fermée

Ouverte

Inverse

Direct

Ouverte

Fermée

Ouverte

Inverse

Inverse

Fermée

Ouverte

Fermée

Table 9 : Combinaisons de position de sécurité vanne avec positionneur Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8. LES ACCESSOIRES DE VANNE 8.1. LE POSITIONNEUR Quel est le rôle d’un positionneur ? Le positionneur est un dispositif permettant d’asservir la course du clapet au signal de commande provenant du régulateur. Pour un bon fonctionnement de la régulation, il est indispensable que la course du clapet demeure exactement proportionnelle à la valeur du signal de sortie du régulateur. Cependant, certaines forces parasites peuvent gêner le mouvement du clapet : Poussée exercée par le fluide (surtout, cas des clapets simple siège) Frottement de la tige de transmission dans le Presse-étoupe Ressort exerçant une force qui n'est pas exactement proportionnel au déplacement qu'il subit (hystérésis) Variation de surface due à la déformation de la membrane, etc… Ces forces dépendent des conditions de service, conditions sévères → Forces élevées Fluide visqueux ou chargé Pression différentielle élevée, etc… Il est alors nécessaire pour obtenir une position de clapet qui corresponde à la valeur du signal de commande de compléter la chaîne de régulation par un positionneur. Nous avons 3 types de positionneur qui s’adapte sur une vanne de régulation : Le positionneur pneumatique Le positionneur électro-pneumatique Le positionneur ‘intelligent’ (numérique)

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8.1.1. Le positionneur pneumatique 8.1.1.1. Ses fonctionnalités La fonction du positionneur pneumatique est d’assurer un asservissement linéaire ou autre entre la course de vanne et un signal pneumatique émis par un régulateur. Il a aussi une autre fonction, c’est de modifier la caractéristique naturelle d’une vanne au moyen d’une came profilée selon la caractéristique désirée. Il peut aussi être configuré pour la commande ‘en cascade’ (Split-Range) de plusieurs vannes et peuvent être utilisés avec une alimentation pneumatique augmentée lui permettant de faire fonctionner les vannes sous de plus grandes pressions différentielles de service On peut aussi inverser le sens d’action des vannes par l’intermédiaire du positionneur.

8.1.1.2. Constitution Le positionneur pneumatique est constitué des éléments suivants : La came profilée : c’est l’élément intermédiaire entre le dispositif de contreréaction, entre l’actionneur de vanne et le ressort du positionneur. Son profil détermine la relation entre la position de l’obturateur de la vanne et le signal émis par le régulateur. Les caractéristiques « linéaire » ou « égal pourcentage » sont disponibles par sélection du secteur approprié de la came. Le pilote : C’est un petit distributeur à tiroir 3 voies. Le tiroir règle les débits d’air comprimé de l’alimentation vers la sortie sur l’actionneur et la sortie vers l’orifice d’échappement. La position de ce tiroir est commandée par le diaphragme, détermine la pression de sortie de l’actionneur. L’action du positionneur pneumatique peut être inversée en intervertissant les connexions d’alimentation et d’échappement et en changeant le secteur de came et l’orientation du levier. Le ressort de rappel : il permet de faire glisser le tiroir du pilote dans le distributeur. Le ressort de contre-réaction : Il permet de faire pivoter la came en faisant varier plus ou moins la rotation du levier. Cette variation est due à la pression exercée sur le diaphragme.

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8.1.1.3. Son principe de fonctionnement Le positionneur pneumatique est basé sur le principe d’un mécanisme à équilibre de forces : la pression d’un signal pneumatique appliquée sur un diaphragme est opposée à la force d’un ressort de contre réaction. A l’état d’équilibre, si le signal pneumatique varie, l’ensemble de diaphragme se déplace. Le mouvement entraîne le tiroir du pilote qui est poussé par le ressort de rappel. Le déplacement du tiroir met le circuit de sortie alternativement en communication avec le circuit d’alimentation ou l’orifice d’échappement, modifiant ainsi la pression appliquée sur l’actionneur. La came transmet le déplacement de l’obturateur de la vanne au ressort de contreréaction. L’obturateur de la vanne continue son mouvement jusqu’à ce que la force du ressort équilibre exactement celle développée par la pression du signal pneumatique sur le diaphragme. A cet état d’équilibre, la position de l’obturateur de la vanne devant le siège correspond à celle demandée par le signal du régulateur. Échappement

Alimentation

Signal sortie vers actionneur

Signal pneumatique Figure 62: Schéma de fonctionnement du positionneur pneumatique

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Signal régulateur 0,2-1 bar

Alimentation 1,4 bar

Signal Sortie 0,2-1 bar

Figure 63: Positionneur pneumatique Masoneilan

Figure 64: Vue de la came avec levier et son ressort de contre-réaction Nous avons vu que dans les fonctionnalités du positionneur, la came pouvait changer la caractéristique de la vanne : voici les positions de came et orientation du levier de la came d’une CAMFLEX II ou VARIMAX de chez MASONEILAN

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Figure 65: Orientation levier et position de came MASONEILAN

8.1.1.4. Les Pannes Les principales pannes que vous pouvez rencontrer sur ce type de positionneur sont : L’orifice d’échappement est bouché donc la vanne ne régule plus et reste fixe à une certaine position, La came est desserrée, cela est souvent dû à des vibrations, Le tiroir du pilote se bloque, il se peut que l’air dans le positionneur se condense et donne un peu d’humidité dans le tiroir : ce qui fait que le tiroir se grippe. A part ces diverses petites pannes qui peuvent arriver, le positionneur pneumatique reste un positionneur très résistant grâce à son mécanisme et peu de maintenance est requise sur ce matériel.

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8.1.2. Le positionneur électropneumatique 8.1.2.1. Constitution Le positionneur électro-pneumatique est constitué des éléments suivants : Un système de balancier (buse palette) : le déséquilibre provoqué par la variation du signal électrique dans l’électroaimant va faire varier le signal de sortie de la buse vers l’actionneur.

Figure 66: Système de buse palette avec électro-aimant sur positionneur I/P Une came, Un ressort de rappel, Un pilote : c’est un relais amplificateur qui va amplifier le signal de sortie de la buse vers l’actionneur. Un ressort d’équilibre : il permet de faire l’équilibre entre le système de balancier et le levier de la came.

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8.1.2.2. Principe de Fonctionnement Le principe de fonctionnement est quasiment le même que le positionneur pneumatique. En fait nous avons gardé le système de positionnement pneumatique de la vanne avec la came et son levier, mais un buse palette avec un électro-aimant a été ajouté pour permettre de remplacer le signal pneumatique du régulateur en un signal électrique (420mA). Le but étant de pouvoir piloter les vannes de régulation à distance. Le pilote n’est plus un distributeur avec son tiroir et son poussoir mais il est à présent un relais amplificateur avec une membrane. Le signal provenant du régulateur n’est plus un signal pneumatique (0,2-1bar) mais un signal électrique (4-20mA). Le signal électrique (4-20 mA) va parcourir la bobine, ce qui va provoquer un déplacement de la palette. Il en résulte une modification de la pression de sortie buse jusqu'à ce que la contre réaction de la bille située à l'extrémité de la buse équilibre la nouvelle force appliquée au levier. Plus le signal électrique va augmenter, plus la palette va se rapprocher de la buse : le signal de sortie buse vers l’actionneur va aussi augmenter et ainsi tendre à ouvrir la vanne. Ce sera l’effet inverse si le signal électrique diminue.

Figure 67: Schéma de fonctionnement du positionneur électro-pneumatique Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 68: Positionneur électro-pneumatique MASONEILAN type 8013 Nous pouvons aussi changer le sens d’action du positionneur, pour cela il faut : Inverser le ressort d’équilibre par rapport au balancier Figure 69:Action directe : sous le balancier

Figure 70: Action inverse : au-dessus du balancier

Inverser les fils de la bobine sur la plaque à bornes du positionneur.

Figure 71: Inversion des fils de bobine pour changement du sens d’action du positionneur

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Il faut bien faire attention à ne pas bloquer le balancier avec les fils de la bobine car sinon votre vanne fera « du TOUT OU RIEN », soit ouverte en grand ou alors fermée totalement. Je vous fais cette remarque car moimême sans faire attention j’ai eu le tour.

8.1.2.3. Les pannes Les principales pannes sur le positionneur électro-pneumatique sont : Le ressort d’équilibre qui est sorti de son lotissement, La bobine qui est HS ou alors la plaque de circuit intégré, La bobine qui reste coincé dans le noyau, cela est du à une prise d’humidité dans le positionneur et la bobine s’est déformée, La palette reste coincée sur la buse → il faut vérifier l’équilibre du balancier avec la vis du petit contre poids qui se trouve sur la palette, La buse est bouchée→ Un nettoyage de la buse est impératif avec de l’air comprimé, Un fil de la bobine est débranché.

8.1.3. Le positionneur intelligent (numérique) Le positionneur intelligent est la toute dernière version de positionneur qui commence à être de plus en plus utilisé.

8.1.3.1. Constitution Le positionneur intelligent est constitué des éléments suivants : Un microprocesseur : il comprend une eeprom qui permet de stocker les données, un module FSK qui permet une communication numérique entre un PC et le positionneur, Un système buse palette, Un distributeur 3 voies : c’est le pilote, Un électroaimant : c’est la bobine avec son noyau qui va permettre de faire basculer plus ou moins la palette sur la buse grâce au champ magnétique créé par le courant électrique qui la traverse, Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Un afficheur digital : il va permettre de configurer le positionneur et de lire soit un diagnostic de pannes ou soit toutes les informations de mesure du positionneur. Ce type de positionneur est toujours alimenté a une pression de 1,4 bar à l’aide d’un filtre détendeur. Le signal électrique qui provient du régulateur est toujours un signal courant de 4-20mA.

8.1.3.2. Principe de fonctionnement

Figure 72: Schéma de principe du positionneur intelligent L’unité centrale que nous appelons CPU est le centre fonctionnel du positionneur. Les composants mécaniques et pneumatiques ne remplissent que des fonctions secondaires. Le signal d’entrée (4-20mA) et la mesure de position sont scrutés cycliquement par la CPU et envoyé vers un convertisseur analogique/numérique permettant ainsi un traitement rapide et précis des données.

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Le programme général comprend aussi une routine d’autoréglage pour l’ajustement automatique de l’appareil sur l’actionneur de la vanne et un mode de régulation auto adaptive qui permet un contrôle optimal de la position quelque soit les conditions de service (variation de la pression d’alimentation par exemple). Le servomoteur est piloté par un convertisseur I/P et une vannes 3 voies (distributeur). Le signal électrique venant de la CPU est proportionnellement converti en un signal pneumatique qui ajuste la vanne 3 voies. La section de passage est modifiée, en permanence, pour gonfler ou vider le servomoteur proportionnellement au signal. Lorsque la position de la vanne est atteinte, la vanne 3 voies se trouve en position neutre (débit d’air quasi nul). Afin de vous aider à mieux comprendre le fonctionnement, le positionneur fonctionne comme un régulateur (voir cours le régulateur et ses fonctions). Le signal d’entrée 4-20 mA est la consigne et la mesure de position effectuée par un détecteur de position est la mesure. La CPU compare ses deux grandeurs et envoie un signal électrique proportionnel à l’électroaimant qui va permettre d’agir sur l’organe de commande (vanne 3 voies) afin d’obtenir mesure=consigne. Le positionneur dispose, en standard, d’un clavier local composé d’un affichage 2 lignes et 4 touches. Ce clavier sert à la configuration en local et à la surveillance des paramètres en fonctionnement. Le paramétrage, la mise en service et l’observation peuvent aussi être effectués à distance via le port de communication (module FSK) et un ordinateur. Cette communication est basée sur les protocoles HART, ou Field Bus, ou PROFIBUS. Vous pouvez vous connecter en local ou n’importe où sur la liaison 4-20mA. Le modèle de base du positionneur peut être modifié à tout moment, cela dépend du constructeur, pour recevoir des nouvelles fonctions. On peut rajouter des cartes pour recopie analogiques : cela va permettre d’avoir une position précise de la vanne sur DCS. On peut rajouter des fins de courses. Figure 73: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-C monté sur une vanne linéaire Nous pouvons aussi changé le sens d’action du positionneur (direct ou inverse) ainsi que la caractéristique intrinsèque de la vanne (égal% ou linéaire) par simple paramétrage dans le positionneur avec le clavier de configuration en local ou par soft à distance. Au niveau montage, ce type de positionneur possède des kit de montage selon les normes afin qu’il puisse être monter sur n’importe quel type de vannes. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Il peut être monter sur des vannes linéaires ou rotative, il suffit aussi de le paramétrer.

Figure 74: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-C

8.1.3.3. Les pannes Ce type de positionneur a souvent des pannes au niveau électronique donc au niveau maintenance, c’est tout simple, il faut avoir des positionneurs intelligents en stock car c’est du ‘jetable’.

8.2. LE CONVERTISSEUR ELECTROPNEUMATIQUE (I/P) Le convertisseur I/P est utilisé dans toutes les boucles électroniques dont l’actionneur est pneumatique ou par exemple pour la traversée de zones explosives (voir cours matériel en zone à risque). Il transforme les signaux électriques normalisés en signaux pneumatiques normalisés. Le convertisseur électro-pneumatique reçoit un signal électrique 4-20 mA et le convertit en un signal pneumatique de 200-1000 mbar (0,2-1 bar). Le convertisseur est aussi alimenté par une pression d’air de 1,4 bar (1400 mbar). Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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La différence entre le convertisseur I/P et le positionneur électro-pneumatique est que nous n’avons plus de position de vanne. Pour mieux comprendre, le convertisseur I/P reçoit le signal électrique du régulateur (4-20mA), va le convertir en pression 0,2 – 1 bar qui va directement sur la « tête de vanne ». Ce matériel est très utile quand un positionneur de vanne est HS et que vous devez impérativement dépanner en urgence. Vous fixer ce convertisseur sur la vanne en branchant l’alimentation de 1,4 bar, le signal pneumatique de sortie du convertisseur sur la vanne et le signal 4-20 mA sur le bornier de celui-ci et le ‘tour est joué’. Figure 75: Convertisseur I/P MASONEILAN

Pour le montage de ces convertisseurs I/P, il faut bien faire attention que selon le constructeur ce ne sont pas les mêmes kits de montage fournis. Vous pouvez soit les fixer sur la vanne ou alors non loin de la vanne sur un tube 2’’.

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8.3. LE LUBRIFICATEUR Le graissage de la garniture d’étanchéité sert à faciliter le déplacement de la tige de l’obturateur et à entretenir les tresses du presse étoupe afin de les détériorer moins rapidement. C’est un accessoire rarement utilisé sur une vanne de régulation.

Figure 76: Lubrificateur sur chapeau de presse-étoupe

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8.4. LE DETECTEUR DE POSITION Les contacteurs de position sont très utilisés sur les vannes Tout Ou Rien pour que l’on puisse voir s’il n’y a pas de discordances de vannes de sécurités. On peut en trouver aussi sur des vannes de régulation qui sont soit linéaires ou rotatives. Les contacts de ces contacteurs de position peuvent être Normalement Ouvert (NO) ou Normalement Fermée (NC). Nous avons donc deux types de contacteurs : Le contacteur avec contact, appelé le micro rupteur

Figure 77: Micro rupteur sur vanne de régulation Le contacteur sans contact, souvent appelé détecteur de proximité et sont soit inductif ou soit capacitif. Figure 78: Détecteur de proximité

8.4.1. Micro rupteur Ce type de contacteur de position est utilisé en sécurité sur les vannes pour permettre à l’opérateur d’avoir une alarme en cas de discordance de vanne. Son inconvénient est le que contact s’use rapidement. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.4.1.1. Micro rupteur sur une vanne linéaire

Vanne ouverte

Vanne en position intermédiaire

Vanne fermée Figure 79: Position du micro rupteur sur une vanne linéaire Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.4.1.2. Micro rupteur sur une vanne rotative Sur une vanne rotative, la rotation de celle-ci va entraîner une came qui permettra de faire basculer le contact que nous voyons sur la figure cidessous. Sur ce modèle, la came et le contacteur s’use aussi rapidement.

Figure 80: Position du micro rupteur sur une vanne rotative

8.4.2. Fin de course inductif En ambiance industrielle, les capteurs inductifs sont indispensables. Par rapport aux fins de course mécaniques, ils offrent des conditions presque idéales: fonctionnement sans contact ni usure, hautes fréquences de commutation, précision de commutation et haute protection contre les vibrations, les poussières et l'humidité. Les détecteurs inductifs détectent tous les métaux sans aucun contact Les détecteurs inductifs utilisent l'effet physique du changement d'état d'un circuit résonnant dû aux pertes de courant de Foucault dans des pièces conductrices. Un circuit oscillant LC génère un champ alternatif de haute fréquence qui se dégage de la face active du détecteur. Figure 81: Schéma de principe du détecteur inductif Lorsqu'une pièce conductrice pénètre dans ce champ, les courants de Foucault sont formés selon la loi relative à l'induction et enlèvent de l'énergie au circuit oscillant. De ce fait, l'amplitude d'oscillation est réduite. Ce changement est Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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converti en un signal de commutation. Par ce principe, tous les matériaux métalliques peuvent être détectés qu'ils soient en mouvement ou non.

8.4.3. Fin de course capacitif Les détecteurs capacitifs sont utilisés pour détecter sans contact des objets quelconques. Contrairement aux détecteurs inductifs qui ne détectent que des objets métalliques, les détecteurs capacitifs permettent la détection de matériaux non métalliques. Des applications typiques se trouvent dans les industries suivantes: bois, papier, verre, plastique, agro-alimentaire et chimique. La capacité entre l'électrode active du détecteur et le potentiel électrique de la terre est mesuré. Un objet proche de la face active influence le champ électrique alternatif entre ces deux " plaques de condensateur ". Ceci s'applique aux objets métalliques et non métalliques. En principe, les détecteurs capacitifs travaillent avec un circuit oscillant RC. Figure 82: Schéma de principe du détecteur capacitif Une variation minimale de la capacité suffit pour influencer son amplitude d'oscillation. L'électronique d'évaluation la convertit en un signal de commutation. L'utilisateur peut régler la sensibilité par un potentiomètre.

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8.5. LE BOOSTER Le ‘Booster’ est un amplificateur pneumatique qui amplifie le débit d’air provenant du positionneur de vanne à l’aide du signal de sortie du positionneur et de son alimentation (1,4bar). Cela permet d’obtenir un volume d’air plus important et ainsi faciliter le gonflement de la membrane de l’actionneur. Figure 83: Schéma de principe du Booster When pressure is introduced through the signal port a downward force on the upper diaphragm area is created. This force is balanced by the output pressure acting against the lower control diaphragm area. The ratio of signal pressure to output pressure si determined by the ratio of the effective areas of the upper and lower diaphragms. Figure 84: Exemple de ‘booster’ If signal pressure is increased above the output pressure there is a net downward force on the diaphragm assembly causing the supply valve to open. Output pressure increases until equilibrium is achieved. When signal pressure is decreased below the output pressure, the diaphragm assembly rises, allowing output air to exhaust through the vent on the side of the relay. Figure 85: Le signal de commande plus grand que la sortie

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Figure 86: La sortie plus grande que le signal de commande

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8.6. ELECTROVANNE OU ‘ ELECTRO-DISTRIBUTEUR ’ Une électrovanne est constituée de deux éléments : Un distributeur pneumatique Une bobine Elle est utilisée sur les vannes Tout Ou Rien, donc sur des actionneurs simple ou double effet. Rappel : L’actionneur simple effet est un servomoteur à piston avec rappel par ressort. L’actionneur double effet est un servomoteur à double piston donc nous sommes obligés d’envoyer de l’air sur un des pistons à chaque fois pour soit ouvrir ou soit fermer une vanne.

8.6.1. Distributeur pneumatique 8.6.1.1. Son Rôle Les chambres d’un actionneur de vanne, en fonctionnement, doivent être, alternativement, mises à la pression et à l’échappement. Il n’est pas question de modifier les branchements des différents tuyaux. Le distributeur aura pour rôle de réaliser les deux configurations possibles de branchements, en fonction d’un signal de commande extérieur.

Figure 87: Schéma de principe du distributeur sur un actionneur Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.6.1.2. Le principe de fonctionnement Schématiquement, un distributeur sera constitué d’un tiroir percé de canalisations. Ce tiroir pourra occuper (en glissant) deux positions différentes à l’intérieur du corps. Le corps est, lui-même, percé d’orifices qui sont mis en communication deux à deux selon la position occupée par le tiroir. Figure 88: Déplacement du tiroir d’un distributeur Dans la pratique, les tiroirs des distributeurs ne sont pas nécessairement réalisés avec des canalisations percées. Selon les constructeurs et les choix technologiques, on rencontrera des clapets ou d’autres formes de tiroirs que celui qui est ébauché dans le schéma de principe. Le distributeur ainsi schématisé servira à alimenter un actionneur double effet (puisque on a prévu deux canalisations vers l’actionneur de vanne). Un distributeur sera identifié par le nombre de tuyaux que l’on peut connecter (on parle alors d’orifices) et le nombre de positions que peut occuper le tiroir. Le distributeur que nous venons de voir dans les schémas de principe précédent a : 4 orifices un échappement une connexion avec la chambre avant une connexion avec la chambre arrière et 2 positions Il s’agit donc d’un distributeur 4/2.

Figure 89: Déplacement du piston de l’actionneur en fonction du déplacement du tiroir du distributeur 4/2

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8.6.1.3. Schématisations Chaque position du tiroir du distributeur est représentée par une case. Puisque le tiroir peut occuper deux positions, on dessinera deux cases (qui sont carrées). Les canalisations sont représentées par des flèches dont le sens indique le passage de l’air comprimé. Les extrémités des flèches sont placées en regard des tuyaux qui vont vers les chambres de l’actionneur, de l’alimentation en air et de l’échappement. A un instant donné, seule une des deux cases est utilisée. On ne branche donc les deux tuyaux que d’un côté. Lorsque le tiroir se déplace, les tuyaux ne bougeant pas, les flèches doivent se retrouver en face des canalisations. Figure 90: Schématisation d’un distributeur 4/2 En instrumentation, vous allez utilisé les distributeurs 3/2 et les distributeurs 5/2.

8.6.1.4. Le distributeur 3/2 Le distributeur 3/2 est utilisé pour les servomoteurs simple effet. Il ne possède qu’un orifice pour l’alimentation du servomoteur puisqu’une seule chambre peut être connectée au distributeur. Figure 91: Schématisation d’un distributeur 3/2

8.6.1.5. Le distributeur 5/2 Le distributeur 5/2, utilisé par les servomoteurs double effet au même titre que les distributeurs 4/2. Le distributeur 5/2 possède un orifice d’échappement par chambre de l’actionneur. Figure 92: Schématisation d’un distributeur 5/2 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 93: Schématisation d’un distributeur 5/2

8.6.2. Le pilotage des distributeurs Le pilotage des distributeurs permet de commander le déplacement des tiroirs. Le pilotage est commandé par la consigne opérative issue de la partie commande. Il existe un grand nombre de pilotages possibles, mais les plus courants sont les suivants : Commande électrique

Pilotage par commande électrique

Pilotage par commande pneumatique

Pilotage par bouton poussoir

Commande pneumatique Commande par bouton poussoir Commande par galet

Pilotage par galet

Commande par ressort Figure 94: Schématisation des commandes de distributeur Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

Pilotage par ressort

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8.6.2.1. Le distributeur monostable Si le distributeur possède un pilotage par ressort, il est monostable. C’est à dire que seule la position obtenue grâce au ressort est stable : absence de signal de commande extérieur, le tiroir se place automatiquement dans la position ressort. Figure 95: Schéma de distributeur monostable avec commande pneumatique

Figure 96: Exemple de distributeur monostable avec commande électrique

8.6.2.2. Le distributeur bistable Si le distributeur possède deux pilotages de même nature, il est bistable. C'est-à-dire que les deux positions sont des positions stables : en absence de signal de commande extérieur, le tiroir ne bouge pas et reste dans la position qu’il occupe. Figure 97: Schéma de distributeur bistable avec pilotage pneumatique

Figure 98: Exemple de distributeur bistable avec commande électrique

Le choix d’une commande monostable ou bistable dépend exclusivement de considérations liées à la partie commande. Une erreur trop fréquente consiste à penser qu’il y a un rapport entre servomoteur simple effet et un distributeur monostable. Dans notre cas en instrumentation, nous avons le plus souvent une commande électrique sur un distributeur monostable ou bistable. La commande électrique sera effectuée par l’intermédiaire d’une bobine qui viendra se lotir sur le distributeur pneumatique. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.6.3. Montage du distributeur Le distributeur pneumatique vient se lotir sur une embase, celle-ci sert à alimenter en air le distributeur et à répartir l’air comprimé selon le déplacement du tiroir du distributeur. Figure 99: Exemple de distributeurs montés sur l’embase

Figure 100: Exemple D’embase pour distributeur pneumatique Le raccordement de l’embase s’effectue à l’aide de raccord pneumatique (voir cour accessoires instrumentation). Figure 101: Exemple D’embase pour distributeurs pneumatique disposé dans un coffret sur rail DIN Le type d’embase ci-dessus est conçu pour être installé dans un coffret. Cette embase alimente en air tous les distributeurs pneumatiques qui sont installés sur celle-ci. Le gros inconvénient de cette embase est que si vous voulez changer un distributeur pneumati que il faut couper l’alimentation en air pour tous les distributeurs. Il existe aussi des distributeurs qui se monte directement sur la vanne TOR selon un plan de pose normalisé et standard. Il se monte sur la vanne à l’aide de deux vis. Figure 102: Exemple de distributeurs qui se montent sur la vanne sans embase. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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8.6.4. La bobine Comme vous avez du le comprendre, la bobine va servir à piloter électriquement le distributeur pneumatique.

Bobine à connecteur

Vous pouvez alimenter les bobines aux tension de 24 VDC, 48 VAC, 230 VAC, 110 VAC. Sur des sites industriels, le plus souvent elles sont alimentées en 24 VDC.

Bobine à connexion

Elles sont commandées par l’intermédiaire d’un automate ou relayage dans un tableau local. Comme vous pouvez le constater, vous avez un large choix de bobines.

Bobine double impulsion

Figure 103: Exemples de divers bobines Bien sûr, pour pouvoir alimenter les bobines il nous faut un connecteur où arrivent les fils d’alimentation de la bobine.

Joint

Figure 104: Connecteurs servant au raccordement électrique de la bobine

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Avec le connecteur, un joint est livré pour pouvoir faire l’étanchéité entre le connecteur et la bobine : il faut impérativement l’installer sur le connecteur car sinon vous risquez d’avoir des surprise quand il va pleuvoir !!!!!! ou alors si vous omettez de mettre ce joint prenez une grosse boîte de fusible avec vous.. UNE FOIS LE RACCORDEMENT EFFECTUE SUR LE CONNECTEUR, N’OUBLIEZ PAS DE VISSER LE CONNECTEUR SUR LA BOBINE : CELA EVITERA DE FAIRE DES ‘GRRRRRRRRR…..’

Pour tout ce qui concerne le détail de raccordement électrique de chaque accessoire d’instrumentation, veuillez vous reportez au « cours Accessoires d’Instrumentation ».

8.7. COMMANDE MANUELLE Installée sur le servomoteur, leur rôle est de manœuvrer manuellement la vanne dans certains cas: Lors du démarrage de l’unité. En cas d’urgence. En cas de manque d’énergie sur le servomoteur. Si la vanne n’est pas équipée d’un système de by-pass. La commande manuelle installée sur le dessus d’un servomoteur: à action directe peut être utilisée comme une butée réglable vers le haut. à action inverse peut être utilisée comme une butée réglable vers le bas

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Figure 105: Commande manuelle installée sur le dessus du servomoteur La commande manuelle installée sur le coté d’un servomoteur peut être utilisée comme une butée de course dans les deux directions. Figure 106: Commande manuelle installée sur le côté du servomoteur

La commande manuelle d’une vanne ne doit être utilisé qu’en cas de problème sur le servomoteur ou le positionneur de vanne afin de dépanner. N’oubliez pas une fois l’intervention effectuée d’enlever la commande manuelle !!!

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9. MAINTENANCE 9.1. REMPLACEMENT DE GARNITURES D’ETANCHEITE Avant toute chose, il est impératif de s’assurer que la vanne ne soit plus sous pression. Démontage du presse étoupe: Desserrer et enlever les écrous du fouloir Reculer le fouloir Extraire tous les anneaux de tresse à l’aide d’un extracteur Contrôler l’état de surface du logement des tresses ainsi que la tige de commande (rayures, traces, etc.…) Nettoyer avec soin l’intérieur du presse étoupe (chasse à l’air) Une fois cette opération effectuée, il va falloir regarnir le presse étoupe. Pour cela, procéder comme suit : Montage de l’anneau (tresse) en S Décaler les coupes de 90° entre deux anneaux Montage anneau après anneau S’aider du fouloir pour enfoncer les tresses dans le logement

Figure 107: Mise en place des tresses Au montage du dernier anneau, accoster le fouloir sur les tresses en resserrant les écrous à la main

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Après cette phase de serrage, la tige de commande doit tourner sans plus d’effort qu’avant le montage des tresses. Serrer le fouloir légèrement à la clé jusqu’à obtention d’une légère résistance lors de la manœuvre de la tige A la mise en pression de la vanne, si il y fuite, il suffit de resserrer légèrement le fouloir L'anneau tressé doit être coupé de façon à obtenir un léger serrage sur le diamètre extérieur et un jeu initial entre la chemise et l'anneau tressé. Pour cela, enrouler la tresse en hélice à spires jointives autour de la chemise d'arbre ou d'un rondin de même diamètre. (Prendre toutes les précautions pour ne pas rayer la chemise).

Exemple de coupe droite

Figure 108: Coupes de tresses Par expérience, une coupe biaise sera préférée à une coupe droite. La mise en place de la tresse sera plus facile.

Exemple de coupe biaise

Pour obtenir une étanchéité optimale, il faut serrer le fouloir de 2 à 5 fois la pression de service, selon qu'il s'agisse de liquide ou de gaz. Il faut éviter impérativement que le fouloir ne se coince, et donc procéder à un serrage uniforme et contrôlé de la tresse.

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9.2. ETALONNAGE DE VANNE Pour un fonctionnement optimal d’une boucle de régulation, il faut impérativement contrôler le réglage d’une vanne ainsi que les autres éléments constituant une boucle de régulation (capteur-transmetteur, action PID régulateur et la vanne).

9.2.1. Etalonnage d’un convertisseur I / P L’étalonnage d’un convertisseur I/P est tout simplement l’inverse de réglage d’un transmetteur de pression.

Figure 109: Étalonnage d’une vanne de régulation avec convertisseur I / P Pour cela, nous injectons un signal 4-20 mA sur le convertisseur à l’aide d’un générateur de courant 4-20mA (outil très utilisé des instrumentistes). Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Ensuite nous vérifions à l’aide d’un manomètre le signal de sortie du convertisseur (0,2-1 bar). Le signal de sortie du convertisseur doit être proportionnel et linéaire par rapport à son signal d’entrée (4-20mA). Si vous vous apercevez que le zéro ou l’échelle du convertisseur est décalée, nous avons sur un convertisseur i/p deux vis de réglage prévues à cet effet.

IP Adjustments Zero adjustment Span adjustment Mode selection Lo-Hi span adjustment Sensitivity adjustment

Item 1 2 3 4 5

IP port definitions Input Output Exhaust Conduit connection

Port size ¼ ‘’ FNPT ¼ ‘’ FNPT ½ ‘’ FNPT

Item A B C D

Figure 110: Les réglages sur un convertisseur Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Vous pouvez aussi sélectionner la position de repli du convertisseur soit haute ou basse, en utilisant le switch Mode. Il en est de même pour l’échelle haute ou basse avec le switch Lo-Hi Span selection.

9.2.2. Etalonnage d’un positionneur électro-pneumatique

Figure 111: Vu en coupe du convertisseur électropneumatique MASONEILAN Modèle 8007

9.2.2.1. Réglage du zéro Utiliser une colonne à mercure ou un manomètre de précision pour contrôler la pression de sortie, un générateur 4-20 mA pour obtenir des variations de signal courant constant et un milliampèremètre branché aux bornes du circuit, pour contrôler les variations de signal comprises entre 4 et 20mA, Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Brancher les conducteurs de signal. Brancher les fils de la bobine aux bornes de la plaque du circuit, Régler le signal que vous allez injecter à l’aide de votre générateur 4-20mA à 12mA, Régler la pression d’alimentation à 1,4 bar pour un signal pneumatique de sortie de 0,2 – 1 bar, Tourner la vis du ressort de zéro (52) jusqu’à l’obtention de la valeur de sortie correspondante à un signal d’entrée de 12mA, c'est-à-dire jusqu’à 0,6 bar, Et enfin, vérifier le signal pneumatique de sortie pour 4 et 20mA qui correspond à 0,2 bar et 1 bar. Si toutes les valeurs sont correctes, vous avez terminé le réglage de zéro.

9.2.2.2. Réglage de l’échelle La pression d’alimentation étant réglée à 1,4 bar, noter la pression de sortie lorsque le signal électrique est à sa valeur minimale (4mA), Porter le signal électrique à sa valeur maximale (20mA) et noter la pression de sortie. La variation du signal électrique du mini au maxi (de 4 à 20mA) doit provoquer une variation de la pression de sortie de 0,8 bar si l’échelle est de 0,21bar, Si la variation de pression est différente, dégager le volet (24) situé à l’arrière du convertisseur, enlever le bouchon à l’aide d’une clef ‘Allen’, puis débloquer et dévisser de quelques tours la vis de blocage, Tourner la vis de réglage d’échelle dans un sens ou dans l’autre jusqu’à ce que la variation totale du signale électrique provoque la variation totale de pression de sortie requise. Pour augmenter l’amplitude de variation de pression de sortie, tourner la vis de réglage dans le sens de rotation des aiguilles d’une montre. Pour diminuer l’amplitude, tourner dans le sens contraire, Bloquer la vis de blocage. Ne pas dévisser exagéréement la vis de réglage d’échelle. La force magnétique tend à diminuer après un tour complet.

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9.2.2.3. Remplacement de la bobine Dévisser les vis (44) et (45) pour libérer la bobine (40) du balancier, Fixer sans serrer la nouvelle bobine sur le balancier à l’aide des vis (44) et (45), La vis de butée (44) ne doit pas dépasser la face interne de la bobine, Fixer le balancier sur l’aimant par l’intermédiaire des lamelles flexibles et des vis, puis aligner le balancier en suivant les instructions dans le chapitre suivant.

9.2.2.4. Alignement du balancier Introduire une tige cylindrique de 1/8’’ dans les trous d’alignement de la bobine, du balancier et de l’aimant et poser sur l’aimant, entre le balancier et la bobine, une cale de 5/32’’ de hauteur et largeur maxi de 1 mm. Le matériau de la tige et de la cale d’alignement doit être amagnétique. Serrer les deux vis inférieures (42) de la lamelle flexible intérieure sur le balancier et de deux vis inférieures de la lamelle flexible extérieure sur l’aimant. Enlever la palette du balancier. Remettre en place l’ensemble du mécanisme dans le boîtier. Positionner le support de ressort de zéro (39) et serrer les deux vis (4), Exercer une légère pression sur le balancier au dessus de la bobine et régler la vis de butée (44) jusqu’à ce que le balancier soit parallèle au plant de joint du boîtier du couvercle. Tout en maintenant le balancier dans cette position, serrer les quatre autres vis de lamelles flexibles, Serrer la vis de la bobine (45) et enlever les tiges d’alignement, Remettre en place la palette, l’aligner et la centrer dans la buse

Figure 112: Alignement du balancier

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9.3. FONCTIONNEMENT DEFECTUEUX DU POSITIONNEUR I/P En cas d’anomalie du positionneur I/P, il y a deux circuits fondamentaux à vérifier : Le circuit pneumatique Le circuit électrique

9.3.1. Vérification du circuit pneumatique Avec 1,4 bar d’alimentation, vérifier que le signal de sortie descend au moins à 0,1 bar lorsque l’on écarte légèrement la palette de la buse, Appuyer légèrement sur la palette de façon à obturer la buse et vérifier que le signal de sortie atteint 1,4 bar, Si ces résultats ne sont pas obtenus, nettoyer l’orifice calibré (59) en appuyant sur son débouchoir. Vérifier la propreté de la buse (16) et vérifier que sa bille est toujours en place. Vérifier que l’orifice calibré (59) est vissé correctement dans le corps du pilote. Si le mauvais fonctionnement persiste, il faut démonter le pilote, Si le fonctionnement est irrégulier, vérifier qu’aucune particule étrangère ne réside entre la bobine et l’aimant.

9.3.2. Vérification du circuit électrique Après vérification du circuit pneumatique, le circuit électrique doit être vérifier comme suit au moyen d’un ohm-mètre. Débrancher les conducteurs du signal électrique à la plaque circuit, Brancher l’ohmmètre aux bornes du circuit du convertisseur et vérifier la résistance du circuit, je vous ai mis un tout petit tableau avec la valeur de la résistance nominale. Débrancher un des fils de la bobine à la plaque circuit du convertisseur le brancher sur l’un des fils de l’ohmmètre. Brancher l’autre fil de l’ohmmètre sur le fil de la bobine resté en place. La valeur mesurée de la résistance de la bobine doit correspondre approximativement à la valeur du tableau ci dessous.

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Figure 113: Circuit électrique du positionneur I/P

Signal mA

Résistance nominal circuit Ω

Résistance nominal bobine Ω

TH Ω

R Ω

Code couleur bobine

4 - 20

216

173

82

91

Bleu

Figure 114: Valeur résistance de bobine Masoneilan Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Si la résistance mesurée de la bobine est approximativement correcte, mais si la résistance totale Th ne l’est pas, remplacer la plaque circuit (15). Si la résistance mesurée de la bobine est incorrecte, remplacer la bobine (40). Brancher un des fils de l’ohmmètre sur la butée de bobine (44) et l’autre sur le fil débranché de la bobine afin de mesurer l’isolement de celle-ci. Si l’ohmmètre n’indique pas une résistance infinie, remplacer la bobine.

9.3.3. Nettoyage du circuit pneumatique 9.3.3.1. L’orifice calibré L’orifice calibré (59) sert au passage de l’air d’alimentation vers le circuit de buse. Un bouton poussoir, prolongé par un fil métallique, permet de déboucher éventuellement l’orifice. Il est possible d’enlever l’ensemble d’orifice calibré sans démonter le pilote.

9.3.3.2. Le pilote

21 53 54 55 56 59 65

Vis de montage Vis de montage Couvercle pilote Diaphragme Plaque intermédiaire Orifice calibré Joint torique

66 68 69 77 78 79

Corps de pilote Ressort de clapet Bouchon de retenu Bloc de diaphragme Clapet d’échappement Clapet d’admission

Figure 115: Le pilote du positionneur I/P Masoneilan En cas de panne, il faut le démonter pour le nettoyer ou remplacer les pièces détériorées Débrancher le circuit pneumatique,

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Retirer les quatre vis fixant le pilote sur le corps du positionneur. Isoler l’ensemble de pilote, Enlever l’orifice calibré et le bouchon de retenue du ressort, puis retirer le clapet et son ressort, Enlever les six vis d’assemblage pour libérer les autres éléments du pilote, Nettoyer les pièces avec un chiffon doux et propre, sil y a des traces d’huile ou de graisse utiliser un solvant (sauf sur la membrane et les joints). Souffler à l’air comprimé les orifices et les canalisations de ce distributeur (pilote) Remontage Introduire deux vis d’assemblage dans deux trous diamétralement opposés au fond du pilote, Ajuster successivement sur ces pièces l’ensemble de membrane, le bloc intermédiaire et le joint, Présenter cet ensemble sur le corps du pilote après avoir introduit le ressort de la membrane dans celui-ci. Veiller à la mise en place et au centrage correct de tous les éléments, Introduire et serrer les quatre vis d’assemblage Introduire le clapet et son ressort. Serrer le bouchon de retenue du ressort, ainsi qu l’orifice calibré, Fixer le pilote sur le positionneur. Je vous conseille d’avoir les pièces de rechange suivantes : Bobine Plaque Circuit Pilote Complet avec membrane de rechange Came

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9.4. ENTRETIEN SERVOMOTEUR POUR VANNE ROTATIVE Remplacement d’une membrane déroulante

100 101 102 103 104 105

Chape Vis (2) Rondelle (2) Chambre de ressort Ressort Diaphragme

106 107 108 110 111 111A

Vis (4) Couvercle d’actionneur Piston Rondelle Écrou Écrou

Figure 116: Schéma détaillé d’un servomoteur MASONEILAN sur vanne CAMFLEX II Pour démonter la membrane, il faut : By passer la vanne et fermer les vannes manuelles d’arrêt, Enlever les quatre vis (106) ainsi que le couvercle (107), Retirer la membrane (105) et éliminer le plus possible la colle restant sur le piston (108). Au besoin, utiliser un diluant à base d’acétone. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Pour remonter la membrane, il faut : Appliquer une couche de colle type Néoprène sur le bourrelet et sur la face interne du de fond de membrane (105), sur le fond du piston dans le logement du bourrelet à l’entrée de la chambre de ressort (103), Veiller à ne pas faire déborder la colle hors de la limite correspondant à la partie plane du fond de piston,

Figure 117: Limite d'encollage Centrer et appliquer la membrane sur le piston. Enduire la face externe de la membrane avec du talc ou de la graisse, Rouler la membrane à l’intérieur de la chambre de ressort, jusqu’à ce que le bourrelet vienne se mettre en place dans son logement à l’entrée de la chambre de ressort. Presser légèrement et régulièrement le bourrelet de façon à faire adhérer les parties encollées. Veiller à ce que la membrane enroulée entre le piston et la chambre de ressort ne présente aucun pli anormal ou de pincement. Figure 118: Enroulement de la membrane Approcher le couvercle (107) de la chambre de ressort après avoir orienté correctement la connexion d’alimentation et aligné les quatre trous taraudés avec les trous lisses de la chambre de ressort. Le bourrelet doit être pincer entre la lèvre du couvercle et celle de la chambre de ressort. Serrer les quatre vis (106). Figure 119: Mise en place du couvercle

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10. TROUBLESHOOTING 10.1. CAVITATION ET VAPORISATION 10.1.1. Variation de la pression statique dans une vanne En application du théorème de Bernoulli (voir cours Mesures Physique en Instrumentation), la restriction de la section de passage présentée par la vanne et son opérateur 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. Figure 120: Variation de la pression statique dans le corps de vanne

10.1.2. 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 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 ; Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Destruction rapide du clapet, du siège, du corps, par enlèvement de particules métalliques. Les surfaces soumises à la cavitation présentent une surface granuleuse ; Le débit traversant la vanne n'est plus proportionnel à la commande. C'est généralement les vannes les plus profilées intérieurement qui on une tendance accrue à la cavitation. Figure 121: Exemple de casse liée à la cavitation

10.1.3. La Vaporisation 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 la cavitation ; Dommages mécaniques sur le clapet, le siège et le corps, par passage à grande vitesse d'un mélange gaz liquide. Les surfaces exposées à ce phénomène présentent des cavités d'un aspect poli ; Regime critique.

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11. DIMENSIONNEMENT DE VANNE 11.1. LE Cv ET LE Kv D’UNE VANNE 11.1.1. Qu’est-ce que le Cv d’une vanne ? Le coefficient de débit Cv, utilisé pour la première fois par Masoneilan en 1944, est devenu rapidement l'étalon universel de mesure du débit de fluide qui s'écoule dans une vanne. Ce coefficient est en effet si pratique qu'il est maintenant presque toujours employé dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des vannes ou à la détermination des débits qui les traversent L’idée à la base est d’indiquer les possibilités de débit d’une vanne dans des conditions précises étant d’origine américaine, certains constructeurs indiquent le débit d’eau en ‘gallons par minute’ avec une ∆P de 1 PSI (vanne ouverte en grand). Ce débit particulier s’appelle : Le Cv de la vanne (coefficient de débit de la vanne). Les manuels de calcul des constructeurs indiquent les méthodes de calcul du Cv, pour les liquides, les gaz, les vapeurs, dans les conditions les plus diverses. Ces méthodes, et d’une façon générale, les calculs de dimensionnement de vannes de réglage sont souvent très complexes. On exprime donc le Cv d’une vanne par la formule américaine suivante :

Cv = Q

d ΔP

Avec : Q: débit en gallon US par minute d: densité (par rapport à l'eau)

ΔP: perte de charge en psi Note : 1 gallon US = 3,758 litres 1 PSI = 0,069 bar ou 69 HPa Le Cv est un repère de grandeur au moyen duquel le technicien peut déterminer rapidement et avec précision la dimension d'une restriction connaissant les conditions de Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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débit, de pression éventuellement d'autres paramètres annexes et ceci pour n'importe quel fluide. Le Cv est proportionnel à la section de passage entre le siège et le clapet. Cv = 0, lorsque la vanne est fermée ; Cv = Cv_ {maxi} lorsque la vanne est complètement ouverte. Le Cv dépend aussi du profil interne de la vanne et du type d'écoulement dans la vanne.

Figure 122: Profil de corps de vanne passage direct avec grand Cv

Figure 123: Profil de corps de vanne passage indirect avec petit Cv

11.1.2. Qu’est-ce que le Kv d’une vanne ? En fait pour nous les techniciens, il est plus facile de s’exprimer avec une ∆P en bar et un débit en m3/h. Donc le Kv est le Cv de vanne à part que nous sommes en unités métrique. Kv = 1,16 / Cv

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11.1.3. Les formules classiques de calcul de Cv de vanne Pour les liquides : Q: débit en m3/h D: densité ΔP: perte de charge en bars Pour les gaz : Cv =

Q d .T 295 ΔP(P1 + P2 )

Q: débit en Nm3/h (1013mb et 15,6°c) D: densité gaz dans les conditions standards calculée par rapport à celle de l'air prise = 1 T: température absolue en Kelvin P1: pression amont en bars abs. P2: pression aval en bars abs. ΔP: P1 - P2 en bars Note : Les formules citées précédemment sont pour des écoulements non critique.

11.1.4. Les formules de calcul de Cv d’après le constructeur Masoneilan 11.1.4.1. Pour les liquides en unités anglo-saxonnes Écoulement non critique : 2

ΔP < C f (ΔPs )

Écoulement critique (cavitation ou vaporisation) : 2 ΔP ≥ C f (ΔPs )

Débit volumique :

Cv = q

Gf

Cv =

ΔP

Gf

q Cf

ΔPs

Débit massique : Cv =

W

Cv =

500 G f ΔP

W 500C f G f ΔPs

⎛ P ⎞ ΔPs = P1 − ⎜ 0,96 − 0,287 V ⎟ PV ⎜ PC ⎟⎠ ⎝ Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Ou pour simplifier, si PV < 0,5 P1 ; ΔPS = P1 - PV CV : Coefficient de débit Cf : Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne de régulation sans raccords adjacents Gf : Densité à la température de l’écoulement, calculée par rapport à l’eau (1 à 60 °F P1 : Pression absolue en amont (psia) P2 : Pression absolue en aval (psia) PC : Pression thermodynamique critique absolue (psia) PV : Tension de vapeur du liquide à la température en amont (psia) ΔP : Chute de pression P1 – P2 (psi) q : Débit volumique du liquide (US gpm) W : Débit massique du liquide (lbs/hr)

11.1.4.2. Pour les liquides en unités métriques Écoulement non critique : 2

ΔP < C f (ΔPs )

Écoulement critique (cavitation ou vaporisation) : 2 ΔP ≥ C f (ΔPs )

Débit volumique :

Cv = 1,16q

Gf ΔP

Cv =

1,16q G f Cf ΔPs

Cv =

1,16W C f G f ΔPs

Débit massique :

Cv =

1,16W G f ΔP ⎛ P ⎞ ΔPs = P1 − ⎜ 0,96 − 0,287 V ⎟ PV ⎜ PC ⎟⎠ ⎝

Ou pour simplifier, si PV < 0,5 P1 ; ΔPS = P1 - PV CV : Coefficient de débit Cf : Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne de régulation sans raccords adjacents Gf : Densité à la température de l’écoulement, calculée par rapport à l’eau (1 à 15,6 °C P1 : Pression absolue en amont (bar abs) P2 : Pression absolue en aval (bar abs) PC : Pression thermodynamique critique absolue (bar abs) PV : Tension de vapeur du liquide à la température en amont (bar abs) ΔP : Chute de pression P1 – P2 (bar) q : Débit volumique du liquide (m³/h) W : Débit massique du liquide (t/h) Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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11.1.4.3. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités anglo-saxonnes Débit volumique pour gaz : CV =

Q GTZ 834C f P1 ( y − 0,148 y 3 )

Débit massique pour gaz : CV =

W Z 2,8C f P1 G f y − 0,148 y 3

Vapeur saturée : CV =

(

W 1,83C f P1 y − 0,148 y 3

Vapeur surchauffée : CV =

(

)

)

W (1 + 0,0007Tsh ) 1,83C f P1 ( y − 0,148 y 3 )

Avec, pour les vannes 77000, cartouches LO-DB et plaques de détente ainsi que les 1,40 ΔP 41000 et les 72000 à deux étages : y = Cf P1 Avec, pour toutes les autres vannes : y =

1,36 Cf

ΔP (valeur maximale de = 1,50, à cette P1

valeur, y – 0,148 y³ = 1,0 CV : Coefficient de débit Cf : Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne de régulation sans raccords adjacents G : Densité du gaz à 60 °F (air = 1,0) Gf : Densité à la température de l’écoulement (= G x 520 / T) P1 : Pression absolue en amont (psia) P2 : Pression absolue en aval (psia) ΔP : Chute de pression P1 – P2 (psi) Q : Débit volumique à 14,7 psia et 60 °F (scfh) T : Température de l’écoulement (°R) Tsh : Surchauffe de la vapeur d’eau (°F) W : Débit massique (lbs/hr) Z : Facteur de compressibilité

11.1.4.4. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités métriques Débit volumique pour gaz : CV =

Q GTZ 257C f P1 y − 0,148 y 3

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Débit massique pour gaz : CV =

Vapeur saturée : CV =

54,5W Z C f P1 G f y − 0,148 y 3

(

83,7W C f P1 y − 0,148 y 3

Vapeur surchauffée : CV =

(

)

)

83,7(1 + 0,00126Tsh )W C f P1 y − 0,148 y 3

(

)

Avec, pour les vannes 77000, cartouches LO-DB et plaques de détente ainsi que les 1,40 ΔP 41000 et les 72000 à deux étages : y = Cf P1 Avec, pour toutes les autres vannes : y =

1,36 Cf

ΔP (valeur maximale de = 1,50, à cette P1

valeur, y – 0,148 y³ = 1,0 CV : Coefficient de débit Cf : Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne de régulation sans raccords adjacents G : Densité du gaz à 15,6 °C (air = 1,0) Gf : Densité à la température de l’écoulement (= G x 288 / T) P1 : Pression absolue en amont (bar abs) P2 : Pression absolue en aval (bar abs) ΔP : Chute de pression P1 – P2 (bar) Q : Débit volumique à 1013 mbar abs et 15 °C (m³/h) T : Température de l’écoulement (K) Tsh : Surchauffe de la vapeur d’eau (°C) W : Débit massique (t/h) Z : Facteur de compressibilité

11.1.5. Calcul du Cv d’une vanne 11.1.5.1. Cv équivalent avec 2 vannes en parallèle

Qeq = Q1 + Q2 ∆Peq = ∆P1 = ∆P2

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11.1.5.2. Cv équivalent avec 2 vannes en série Qeq = Q1 = Q2 ∆Peq = ∆P1 + ∆P2

11.2. CHOIX DE VANNE Après calcul du Cv, le choix de la vanne dans le catalogue constructeur peut conduire à une vanne de diamètre inférieur à celui de la tuyauterie. Elle est alors installée entre un convergent et un divergent.

Figure 124: Vanne située entre un convergent et un divergent Cela a pour effet de créer une perte de charge supplémentaire dont il faut tenir compte dans le calcul de la vanne. Cette option est utilisée si nous n’avions pas le choix mais le plus souvent il est recommandé de tout faire pour choisir une vanne de diamètre identique à celui de la tuyauterie. Il faut bien prendre en compte aussi le matériau de la tuyauterie et faire en sorte de choisir une vanne de même matériau (ex : Acier Inox 316, Acier carbone, etc….). Les conditions procédé vont vous permettre de choisir le type de corps de vanne. Les conditions de sécurité vont vous permettre de savoir la position de sécurité de la vanne (FMA ou OMA) et si vous ajoutez des fin de course sur celle-ci.

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12. TAG ET IDENTIFICATION DE VANNES 12.1. VANNES TOUT OU RIEN 12.1.1. Blow Down Valve Les BDV: Blow Down Valves. Niveau de sécurité AU, ASG Ce sont des vannes qui ont une fonction de décompression d’urgence vers torche des installations. Elles sont forcément du type OMA. On les trouve principalement sur les compresseurs, sur les capacités THP, sur les unités de traitement de gaz.

12.1.2. Emergency Shut-Down Valve Les ESDV: Emergency Shut-Down Valve. Niveau de sécurité AU, ASG. Ces vannes ont une fonction de d’isolement en sécurité. Elles assurent la protection des surpressions et ruptures de pipes, et l’isolement des plates formes en cas d’AU ou d’ASG. Présentes sur les logigrammes de sécurité, et sont commandées à la fermeture au déclenchement de la barre. La réouverture de ces vannes se fait ensuite localement -sur un coffret pneumatique ou hydraulique-, lorsque l’opérateur console à préalablement identifié le défaut, réarmé le logigramme de sécurité et donné l’autorisation de réouverture depuis la console. Elles sont forcément du type FMA. Souvent des doubles effets avec capacité d'air. On les trouve principalement sur les départs / arrivées des pipes huile et gaz.

12.1.3. Remote Operated Valve Les ROV : Remote Operated Valve / vanne opérée à distance Commandées depuis la console de conduite par l’opérateur.

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Elles n’ont pas de fonction de sectionnement, elles ne sont pas présentes sur les logigrammes de sécurité. Leur position de repli par défaut n’est pas forcément définie. Ce sont des vannes de routage des fluides, on les trouve principalement sur les manifolds production / test des puits, sur les refoulements de pompes, sur des sélections de ligne de produit chimique.

12.1.4. Shut-Down Valve Les SDV : Shut-Down Valve. Niveau de sécurité APP, AGP et +, parfois AMP Ces vannes ont une fonction de sectionnement en sécurité. Présentes sur les logigrammes de sécurité, et commandées à la fermeture au déclenchement de la barre. (Notez que certaines SDV peuvent être fermées par la conduite en cas d’AMP) La réouverture de ces vannes se fait ensuite à la console*, lorsque l’opérateur à identifié le défaut et réarmé le logigramme de sécurité. On les trouve principalement sur les entrées / sorties des capacités, sur les aspirations des machines. Ces vannes sont du type FMA (à l’exception de la vanne de by-pass du séparateur de test qui est FO).

12.1.5. Surface Safety Valve Les SSV : Surface Safety Valve. Niveau de sécurité APP, AGP et +, AMP Ce sont des vannes du type SDV sur les tubings en têtes de puits, elles sont aussi appelées vannes maîtresses.

12.1.6. Surface Controlled Sub-Surface Safety Valve Les SCSSV : Surface Controlled Sub-Surface Safety Valves. Niveau de sécurité AU, ASG Ce sont des vannes du type ESDV sur les tubings en fond de puits, elles sont aussi appelées vannes de fond. Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Pilotées depuis la surface par des lignes hydrauliques haute pression (jusqu’à 500 bar), ceci afin de ne pas rester bloquées ouvertes par la pression du gisement en cas de fuite.

12.2. VANNES DE RÉGULATION RCV : Remote Control Valve / vanne de contrôle pilotée à distance, HCV : Hand control valve / vanne que l’on pilote manuellement

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13. ANNEXES Longueurs mm

0,10

cm

inches

25,40

mm

mm

0,001

m

inches

2,54

cm

mm

0,039

inches

inches

0,0254

m

mm

0,00328

feet

inches

0,0833

feet

cm

10,0

mm

feet

304,8

mm

cm

0,010

m

feet

30,48

cm

cm

0,394

inches

feet

0,304

m

cm

0,0328

feet

feet

12,0

inches

mm²

0,010

cm²

sq. inches

645,2

mm²

mm²

10-6

m²

sq. inches

6,452

cm²

mm²

0,00155

sq. inches

sq. inches

0,000645

m²

mm²

1,076 10-5

sq. feet

sq. inches

0,00694

sq. feet

cm²

100

mm²

sq. feet

9,29 104

mm²

cm²

0,0001

m²

sq. feet

929

cm²

cm²

0,155

sq. inches

sq. feet

0,0929

m²

cm²

0,001076

sq. feet

sq. feet

144

Surfaces

sq. inches

Débits us gall / min GPM

3,785

l / min

cubic feet / hr

0,1247

gpm

us gallons / min

0,133

cubic feet / min

cubic feet / hr

0,472

l / min

us gallons / min

8,021

cubic feet / hr

cubic feet / hr

0,01667

cubic feet / min

us gallons / min

0,227

m³ / h

cubic feet / hr

0,0283

m³ / h

us gallons / min

34,29

barrels / day

m³ / h

4,403

GPM

cubic feet / min

7,481

GPM

m³ / h

16,67

l / min

cubic feet / min

28,32

l / min

m³ / h

0,5886

cubic feet / min

cubic feet / min

60,0

cubic feet / hr

m³ / h

35,31

cubic feet / hr

cubic feet / min

1,699

m³ / h

m³ / h

150,9

barrels / day

cubic feet / min

256,5

barrels / day

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Vitesses feet / sec

60

feet / min

m/s

3,280

feet/sec

feet / sec

0,3048

m/s

m/s

196,9

feet / min

feet / sec

1,097

km / hr

m/s

3,6

feet / sec

0,6818

miles / hr

m/s

2,237

miles / hr

pounds

0,0005

short ton

kg

2,205

pounds

pounds

0,000446

long ton

kg

0,0011

short ton

pounds

0,453

kg

kg

0,00098

long ton

pounds

0,000453

t

kg

0,001

t

short ton

2 000

pounds

t

2 205

pounds

short ton

0,8929

long ton

t

1,102

short ton

short ton

907,2

kg

t

0,984

long ton

short ton

0,9072

t

t

1 000

kg

long ton

2 240

pounds

long ton

1,120

short ton

long ton

1 016

kg

long ton

1,016

t

cubic inches

l

1 000

cm³

cubic feet

l

61,02

cubic inches

m³

l

0,03531

l

l

0,001

m³

us gallons

l

0,264

gallons

cm³

gallons

3 785

cm³

km / h

Masses

Volume et capacité cm³

0,06102

cm³

3,531 10-5

cm³

10-6

cm³

0,0001

cm³

-4

2,642 10 6

m³

10

m³

61 023

cubic inches

gallons

231

m³

35,31

cubic feet

gallons

0,1337

m³

1 000

l

gallons

3 785 10-3

m³

264,2

gallons

gallons

3,785

cubic feet

28 320

cm³

cubic feet

1 728

cubic inches

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cubic feet

cubic inches cubic feet m³ l

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cubic feet

0,0283

m³

cubic feet

28,32

l

cubic feet

7,4805

gallons

Pression et hauteur pounds / sq.inch

0,06895

bar

kg / cm²

14,22

psi

pounds / sq.inch

0,06804

atmosphère

kg / cm²

0,9807

bar

pounds / sq.inch

0,0703

kg / cm²

kg / cm²

0,9678

atmosphère

pounds / sq.inch

6,895

kPa

kg / cm²

98,07

kPa

pounds / sq.inch

2,307

ft de H2O (4 °c)

kg / cm²

32,81

ft de H2O (4 °c)

pounds / sq.inch

0,703

m de H2O (4 °c)

kg / cm²

10

m de H2O (4 °c)

pounds / sq.inch

5,171

Cm de Hg (0 °c)

kg / cm²

73,56

cm Hg

pounds / sq.inch

51,71

torr (mm Hg 0 °c)

kg / cm²

735,6

torr (mm Hg)

pounds / sq.inch

2,036

inch hg (0 °c)

kg / cm²

28,96

inch Hg

atmosphère

14,69

psi

kpa

0,145

psi

atmosphère

1,013

bar

kpa

0,01

bar

atmosphère

1,033

Kg / cm²

kpa

0,00986

atmosphère

atmosphère

101,3

kpa

kpa

0,0102

kg / cm²

atmosphère

33,9

ft de H2O

kpa

0,334

ft H2O

atmosphère

10,33

m de H2O

kpa

0,102

m H2O

atmosphère

76,00

cm de Hg

kpa

0,7501

cm Hg

atmosphère

760,0

torr (mm Hg)

kpa

7,501

torr (mm Hg)

atmosphère

29,92

inch Hg

kpa

0,295

inch Hg

bar

14,50

psi

mbar

0,001

bar

bar

0,9869

atmosphère

bar

1,020

kg / cm²

bar

100

bar

33,45

ft de H2O

bar

10,20

m de H2O

bar

75,01

cm Hg

bar

750,1

torr (mm Hg)

bar

29,53

inch Hg

kPa

Table 10: Conversion unités Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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13.1. CONSTANTES CRITIQUES DE CERTAINS CORPS LIQUIDE ET GAZ Pression critique - PC

Température critique - TC

Désignation

k * CP / CV psia

Bar abs

°F

°C

Acide acétique CH3-CO-OH

841

58,0

612

322

Acétone CH3-CO-CH3

691

47,6

455

235

Acétylène C2H2

911

62,9

97

36

1,26

Air O2+N2

547

37,8

-222

-141

1,40

Ammoniac NH3

1638

113,0

270

132

1,33

Argon A

705

48,6

-188

-122

1,67

Benzène C6H6

701

48,4

552

289

1,12

Butane C4H10

529

36,5

307

153

1,09

Gaz carbonique CO2

1072

74,0

88

31

1,30

Monoxyde de carbone CO

514

35,5

-218

-139

1,40

Tétrachlorure de carbone CCl4

661

45,6

541

283

Chlore Cl2

1118

77,0

291

144

1,36

Ethane C2H6

717

49,5

90

32

1,22

Alcool éthylique C2H5OH

927

64,0

469

243

1,13

Ethylène Ch2=CH2

742

51,2

50

10

1,26

Ether C2H5-O-C2H5

522

36,0

383

195

Fluor F2

367

25,3

-247

-155

1,36

Hélium He

33,2

2,29

-450

-268

1,66

Heptane C7H16

394

27,2

513

267

Hydrogène H2

188

13,0

-400

-240

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4,15

1,41 Page 114 de 128

Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Vannes et Actionneurs

Pression critique - PC

Température critique - TC

Désignation

k * CP / CV psia

Bar abs

°F

°C

Acide Chlorhydrique HCl

1199

82,6

124

51

1,41

Isobutane (CH3)CH-CH3

544

37,5

273

134

1,10

Alcool isopropylique CH3-CHOH-CH3

779

53,7

455

235

Méthane CH4

673

46,4

-117

-83

1,31

Alcool méthylique H-CH2OH

1156

79,6

464

240

1,20

Azote N2

492

34,0

-233

-147

1,40

Protoxyde d’azote N2O

1054

72,7

99

37

1,30

Octane CH-(CH2)6-CH3

362

25,0

565

296

1,05

Oxygène O2

730

50,4

-182

-119

1,40

Pentane C5H12

485

33,5

387

197

1,07

Phénol C6H5OH

889

61,3

786

419

Phosgène COCl2

723

56,7

360

182

Propane C3H8

617

42,6

207

97

1,13

Propylène CH2=CH-CH3

661

45,6

198

92

1,15

Fluide frigorifique 12 CCl2F2

582

40,1

234

112

1,14

Fluide frigorifique 22 CHClF2

713

49,2

207

97

1,18

Anhydride sulfureux SO2

1142

78,8

315

157

1,29

Eau H2O

3206

221,0

705

374

1,32

Table 11: Pression critique et température critique de quelques corps

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Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Vannes et Actionneurs

Désignation

Masse volumique – lb/ft³ 14.7 psia et 60 °F Liquide

Gaz

Masse volumique – kg/m³ 1013 mbar et 15,6 °C Liquide

Gaz

Masse molaire g/mol

Acide acétique CH3-CO-OH

65,7

1052,4

66,1

Acétone CH3-CO-CH3

49,4

791,3

58,1

Acétylène C2H2

0,069

1,11

26,0

Air O2+N2

0,0764

1,223

29,0

Ammoniac NH3

0,045

0,72

17,0

Argon A

0,105

1,68

39,9

Benzène C6H6

54,6

874,5

78,1

Butane C4H10

0,154

2,47

58,1

Gaz carbonique CO2

0,117

1,87

44,0

Monoxyde de carbone CO

0,074

1,19

28,0

Tétrachlorure de carbone CCl4

99,5

1593,9

153,8

Chlore Cl2

0,190

3,04

70,9

Ethane C2H6

0,080

1,28

30,1

Alcool éthylique C2H5OH

49,52

Ethylène Ch2=CH2 Ether C2H5-O-C2H5

793,3 0,074

44,9

46,1 1,19

719,3

28,1 74,1

Fluor F2

0,097

1,55

38,0

Hélium He

0,011

0,18

4,0

Heptane C7H16

42,6

Hydrogène H2

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682,4 0,005

100,2 0,08

2,02

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Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Vannes et Actionneurs

Désignation

Masse volumique – lb/ft³ 14.7 psia et 60 °F Liquide

Gaz

Masse volumique – kg/m³ 1013 mbar et 15,6 °C Liquide

Gaz

Masse molaire g/mol

Acide Chlorhydrique HCl

0,097

1,55

36,5

Isobutane (CH3)CH-CH3

0,154

2,47

58,1

Alcool isopropylique CH3-CHOH-CH3

49,23

Méthane CH4 Alcool méthylique H-CH2OH

788,6 0,042

49,66

60,1 0,67

16,0

795,5

32,0

Azote N2

0,074

1,19

28,0

Protoxyde d’azote N2O

0,117

1,87

44,0

Octane CH-(CH2)6-CH3

43,8

Oxygène O2

701,6 0,084

114,2 1,35

32,0

Pentane C5H12

38,9

623,1

72,2

Phénol C6H5OH

66,5

1065,3

94,1

Phosgène COCl2

0,108

1,73

98,9

Propane C3H8

0,117

1,87

44,1

Propylène CH2=CH-CH3

0,111

1,78

42,1

Fluide frigorifique 12 CCl2F2

0,320

5,13

120,9

Fluide frigorifique 22 CHClF2

0,228

3,65

86,5

Anhydride sulfureux SO2

0,173

2,77

64,1

Eau H2O

62,34

998,6

18,0

Table 12: Masse volumique et masse molaire de quelques corps

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14. EXERCICES 1. Quel est le repère du fouloir de Presse Étoupe ? ‰ Repère 5 ‰ Repère 6 ‰ Repère 7

2

1

2. Quel est le repère du clapet ? ‰ Repère 1

5 6

‰ Repère 4 ‰ Repère 8

3

4

7

8

9

3. Quel est le repère du siège ? ‰ Repère 9

10

‰ Repère 3 ‰ Repère 2 4. Le servomoteur de cette vanne est : ‰ Rotatif ‰ Linéaire 5. Un des plus grands dangers qui menace une vanne est ? ‰ La gravitation ‰ La perte de charge ‰ La cavitation

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6. Une vanne Tout Ou Rien est composé de : ‰ Un positionneur ‰ Un actionneur simple ou double effet ‰ Une électrovanne ‰ Un convertisseur I/P 7. L’alimentation d’une vanne de régulation est de : ‰ 7 bars ‰ 3 PSI ‰ 1,4 bar ou 2,1 bar 8. A quoi sert un positionneur électropneumatique ? ‰ Convertir un signal électrique (4-20mA) en un signal pneumatique (0,2 – 1 bar) ‰ Positionner la vanne de régulation ‰ Les deux 9. Un servomoteur à membrane déroulante est prévu pour : ‰ Une vanne linéaire ‰ Une vanne à piston ‰ Une vanne rotative 10. Un servomoteur est dit ‘inverse’ quand : ‰ L’air entre sur le dessus du chapeau de membrane ‰ L’air entre sur le dessous du chapeau de membrane

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11. Dans le corps de cette vanne, le fluide : ‰ Tend à fermer ‰ Tend à ouvrir ‰ Est direct 12. Lequel des ces deux servomoteurs est direct ? ‰ Celui de droite ‰ Celui de gauche ‰ Les deux

13. Je me trouves dans la situation suivante, j’ai un corps de vanne à action direct et un servomoteur inverse : Quel sera la position de sécurité de ma vanne de régulation ? ‰ Fail Open ‰ Fail Closed

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15. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: Position de la « vanne de régulation » dans la boucle de régulation ....................7 Figure 2: Technologie d’une vanne de régulation ..............................................................10 Figure 3: Les deux ensembles d’une vanne de régulation.................................................11 Figure 4: Caractéristique de débit linéaire .........................................................................13 Figure 5: Caractéristique de débit égal pourcentage .........................................................13 Figure 6: Caractéristique de débit à ouverture rapide........................................................14 Figure 7: Déplacement du fluide dans un corps à simple siège.........................................15 Figure 8: Corps à simple siège ..........................................................................................16 Figure 9: Corps à double siège..........................................................................................17 Figure 10: Déplacement du fluide dans un corps à double siège ......................................18 Figure 11: Vanne à cage....................................................................................................19 Figure 12: Vanne 3 voies mélangeuse ..............................................................................21 Figure 13: Vanne 3 voies de dérivation .............................................................................22 Figure 14: Vanne à membrane ..........................................................................................23 Figure 15: Schéma principe de la vanne à membrane ......................................................23 Figure 16: Vanne guillotine ................................................................................................24 Figure 17: Vanne microdébit à Coefficient de vanne variable (Varipak) ............................25 Figure 18: Exemple de vanne à microdébit........................................................................26 Figure 19: Réglage du Cv ..................................................................................................26 Figure 20: Vanne papillon ..................................................................................................27 Figure 21: Vanne à boule...................................................................................................28 Figure 22: Exemple de vanne à boule ...............................................................................29 Figure 23: Vanne à opercule sphérique excentré ..............................................................30 Figure 24: Vue en coupe de l’opercule sphérique excentré ...............................................31 Figure 25: Schéma de fonctionnement de la vanne à opercule sphérique excentré..........31 Figure 26: Les divers clapets et la caractéristique de débit ...............................................33 Figure 27: Clapet à ouverture rapide .................................................................................34 Figure 28: Clapet linéaire...................................................................................................34 Figure 29: Clapet linéaire modifié ......................................................................................34 Figure 30: Clapet égal pourcentage...................................................................................35 Figure 31: Clapet égal pourcentage tourné en V ...............................................................35 Figure 32: Clapet parabolique............................................................................................35 Figure 33: Cage à ouverture rapide ...................................................................................36 Figure 34: Cage linéaire.....................................................................................................36 Figure 35: Cage égal pourcentage ....................................................................................37 Figure 36: Cage anti-bruit ..................................................................................................37 Figure 37: Schéma du chapeau de vanne .........................................................................38 Figure 38: Le presse-étoupe d’une vanne .........................................................................39 Figure 39: Le soufflet d’étanchéité.....................................................................................39 Figure 40: Rondelles de presse-étoupe en graphite et PTFE ............................................40 Figure 41: Exemple de tresses en graphite et PTFE .........................................................40 Figure 42: Mauvaise étanchéité, fuite au presse-étoupe ...................................................41 Figure 43: Servomoteur à membrane ................................................................................43 Figure 44: Schéma simplifié sur servomoteur à membrane...............................................45 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 45: Vue en coupe d’un servomoteur à multiple ressort de rappel ...........................46 Figure 46: Servomoteur à membrane déroulante ..............................................................46 Figure 47: Servomoteur à piston........................................................................................47 Figure 48: Schéma simplifié servomoteur à piston simple effet pour vanne linéaire..........48 Figure 49: Servomoteur à piston double effet pour vanne rotative ....................................48 Figure 50: Servomoteur hydraulique..................................................................................49 Figure 51: Schéma de principe de commande d’un servomoteur hydraulique ..................50 Figure 52: Servomoteur électrique avec moteur et réducteur ...........................................51 Figure 53: Exemple de servomoteur électrique ................................................................52 Figure 54: Vanne avec servomoteur à solénoïde ..............................................................52 Figure 55: Exemple de servomoteur à solénoïde ..............................................................52 Figure 56: Corps de vanne à action directe .......................................................................53 Figure 57: Corps de vanne à action inverse ......................................................................53 Figure 58: Servomoteur direct ...........................................................................................54 Figure 59: Servomoteur inverse.........................................................................................54 Figure 60: Position de sécurité de la vanne .......................................................................55 Figure 61: Différentes possibilités de position de sécurité d’une vanne.............................56 Figure 62: Schéma de fonctionnement du positionneur pneumatique ...............................59 Figure 63: Positionneur pneumatique Masoneilan.............................................................60 Figure 64: Vue de la came avec levier et son ressort de contre-réaction ..........................60 Figure 65: Orientation levier et position de came MASONEILAN ......................................61 Figure 66: Système de buse palette avec électro-aimant sur positionneur I/P ..................62 Figure 67: Schéma de fonctionnement du positionneur électro-pneumatique ...................63 Figure 68: Positionneur électro-pneumatique MASONEILAN type 8013 ...........................64 Figure 69:Action directe : sous le balancier .......................................................................64 Figure 70: Action inverse : au-dessus du balancier ..........................................................64 Figure 71: Inversion des fils de bobine pour changement du sens d’action du positionneur ...................................................................................................................................64 Figure 72: Schéma de principe du positionneur intelligent ................................................66 Figure 73: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-C monté sur une vanne linéaire .....67 Figure 74: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-C ....................................................68 Figure 75: Convertisseur I/P MASONEILAN......................................................................69 Figure 76: Lubrificateur sur chapeau de presse-étoupe ....................................................70 Figure 77: Micro rupteur sur vanne de régulation ..............................................................71 Figure 78: Détecteur de proximité......................................................................................71 Figure 79: Position du micro rupteur sur une vanne linéaire..............................................72 Figure 80: Position du micro rupteur sur une vanne rotative..............................................73 Figure 81: Schéma de principe du détecteur inductif.........................................................73 Figure 82: Schéma de principe du détecteur capacitif .......................................................74 Figure 83: Schéma de principe du Booster........................................................................75 Figure 84 : Exemple de ‘booster’ .......................................................................................75 Figure 85: Le signal de commande plus grand que la sortie..............................................75 Figure 86: La sortie plus grande que le signal de commande............................................76 Figure 87: Schéma de principe du distributeur sur un actionneur......................................77 Figure 88: Déplacement du tiroir d’un distributeur .............................................................78 Figure 89: Déplacement du piston de l’actionneur en fonction du déplacement du tiroir du distributeur 4/2............................................................................................................78 Figure 90: Schématisation d’un distributeur 4/2.................................................................79 Manuel de Formation : EXP-MN-SI040-FR Dernière Révision: 29/09/2008

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Figure 91: Schématisation d’un distributeur 3/2.................................................................79 Figure 92: Schématisation d’un distributeur 5/2.................................................................79 Figure 93: Schématisation d’un distributeur 5/2.................................................................80 Figure 94: Schématisation des commandes de distributeur ..............................................80 Figure 95: Schéma de distributeur monostable avec commande pneumatique.................81 Figure 96: Exemple de distributeur monostable avec commande électrique .....................81 Figure 97: Schéma de distributeur bistable avec pilotage pneumatique............................81 Figure 98: Exemple de distributeur bistable avec commande électrique ...........................81 Figure 99: Exemple de distributeurs montés sur l’embase ................................................82 Figure 100: Exemple D’embase pour distributeur pneumatique ........................................82 Figure 101: Exemple D’embase pour distributeurs pneumatique disposé dans un coffret sur rail DIN..................................................................................................................82 Figure 102: Exemple de distributeurs qui se montent sur la vanne sans embase. ...........82 Figure 103: Exemples de divers bobines ...........................................................................83 Figure 104: Connecteurs servant au raccordement électrique de la bobine ......................83 Figure 105: Commande manuelle installée sur le dessus du servomoteur........................85 Figure 106: Commande manuelle installée sur le côté du servomoteur ............................85 Figure 107: Mise en place des tresses ..............................................................................86 Figure 108: Coupes de tresses..........................................................................................87 Figure 109: Étalonnage d’une vanne de régulation avec convertisseur I / P .....................88 Figure 110: Les réglages sur un convertisseur ..................................................................89 Figure 111: Vu en coupe du convertisseur électropneumatique MASONEILAN Modèle 8007............................................................................................................................90 Figure 112: Alignement du balancier .................................................................................92 Figure 113: Circuit électrique du positionneur I/P ..............................................................94 Figure 114: Valeur résistance de bobine Masoneilan ........................................................94 Figure 115: Le pilote du positionneur I/P Masoneilan ........................................................95 Figure 116: Schéma détaillé d’un servomoteur MASONEILAN sur vanne CAMFLEX II....97 Figure 117: Limite d'encollage ...........................................................................................98 Figure 118: Enroulement de la membrane.........................................................................98 Figure 119: Mise en place du couvercle ............................................................................98 Figure 120: Variation de la pression statique dans le corps de vanne...............................99 Figure 121: Exemple de casse liée à la cavitation ...........................................................100 Figure 122: Profil de corps de vanne passage direct avec grand Cv...............................102 Figure 123: Profil de corps de vanne passage indirect avec petit Cv ..............................102 Figure 124: Vanne située entre un convergent et un divergent .......................................107

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16. SOMMAIRE DES TABLES Table 1 : Avantages et Inconvénients du simple siège ......................................................15 Table 2 : Avantages et Inconvénients du double siège......................................................18 Table 3 : Avantages et Inconvénients de la vanne à cage.................................................20 Table 4 : Avantages et Inconvénients de la vanne à membrane .......................................24 Table 5 : Avantages et Inconvénients de la vanne à guillotine ..........................................24 Table 6 : Avantages et Inconvénients de la vanne papillon ...............................................27 Table 7 : Avantages et Inconvénients de la vanne à boule................................................29 Table 8 : Avantages et Inconvénients de la vanne à opercule excentré ............................32 Table 9 : Combinaisons de position de sécurité vanne avec positionneur.........................56 Table 10: Conversion unités ............................................................................................113 Table 11: Pression critique et température critique de quelques corps ...........................115 Table 12: Masse volumique et masse molaire de quelques corps...................................117

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17. CORRIGE DES EXERCICES 1. Quel est le repère du fouloir de Presse Étoupe ? ‰ Repère 5 ; Repère 6 ‰ Repère 7

2

1

2. Quel est le repère du clapet ? ‰ Repère 1

5 6

‰ Repère 4 ; Repère 8

3

4

7

8

9

3. Quel est le repère du siège ? ; Repère 9 10

‰ Repère 3 ‰ Repère 2 4. Le servomoteur de cette vanne est : ‰ Rotatif ; Linéaire 5. Un des plus grands dangers qui menace une vanne est ? ‰ La gravitation ‰ La perte de charge ; La cavitation

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6. Une vanne Tout Ou Rien est composé de : ‰ Un positionneur ; Un actionneur simple ou double effet ; Une électrovanne ‰ Un convertisseur I/P 7. L’alimentation d’une vanne de régulation est de : ‰ 7 bars ‰ 3 PSI ; 1,4 bar ou 2,1 bar 8. A quoi sert un positionneur électropneumatique ? ‰ Convertir un signal électrique (4-20mA) en un signal pneumatique (0,2 – 1 bar) ‰ Positionner la vanne de régulation ; Les deux 9. Un servomoteur à membrane déroulante est prévu pour : ‰ Une vanne linéaire ‰ Une vanne à piston ; Une vanne rotative 10. Un servomoteur est dit ‘inverse’ quand : ‰ L’air entre sur le dessus du chapeau de membrane ; L’air entre sur le dessous du chapeau de membrane

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11. Dans le corps de cette vanne, le fluide : ‰ Tend à fermer ; Tend à ouvrir ‰ Est direct 12. Lequel des ces deux servomoteurs est direct ? ‰ Celui de droite ; Celui de gauche ‰ Les deux

13. Je me trouves dans la situation suivante, j’ai un corps de vanne à action direct et un servomoteur inverse : Quel sera la position de sécurité de ma vanne de régulation ? ‰ Fail Open ; Fail Closed

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