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Cours Vannes de réglage

1. Généralités 1.1 Schématisation 1.2 Situation 1 .2.1 Régulation de niveau 1 .2.2 Régulation de pression 1 .2.3 Régulation de débit

1.3 Fonction de la vanne de réglage 1.4 Contraintes dues au fluide et à l'environnement 1.5 Éléments constituants la vanne de réglage 1.6 Forme du corps de vanne 1.7 Type de corps de vanne 1.8 Type de corps de vanne 1.9 Les servomoteurs

2. Caractéristiques des vannes de régulation 2.1 Caractéristique intrinsèque de débit 2.2 Débit linéaire PL 2.3 Débit égal en pourcentage EQP 2.4 Débit tout ou rien PT 2.5 Caractéristique installée 2.6 Modélisation de la relation EQP

3. Position de la vanne en cas de manque d'air 3.1 Un choix à effectuer 3.2 Cas des servomoteurs à diaphragme, a piston simple effet 3.3 Cas des servomoteurs à piston double effet 3.4 Maintien de la vanne régulatrice de position

4. Capacité de débit d'une vanne 4.1 Rappel 4.2 Capacité du corps de vanne 4.3 Cv du corps de vanne 4.4 Kv du corps de vanne 4.5 Cas des liquides visqueux, écoulement laminaire 4.6 Cas des gaz

5. Calcul de Cv 5.1 Cv équivalent de plusieurs vannes en parallèle 5.2 Cv équivalent de plusieurs vannes en série 5.3 Influence des convergents-divergents

6. Cavitation et vaporisation 6.1 Variation de la pression statique à travers une vanne 6.2 Cavitation 6.3 Vaporisation 6.4 Conséquences pratiques

1. Généralités 1.1 Schématisation

Vanne

Vanne m anuelle

Electrovanne

Vanne pneum atique

Vanne pneum atique avec positionneur

1.2 Situation La v anne de régulation est utilisée comme organe de réglage dans différentes boucles de régulation.

1.2.1 Régulation de niveau

Régulation de niveau [niveau] Le niv eau v arie en fonction du débit d'alimentation et du débit utilisateur. La grandeur réglée est le niv eau, il doit suiv re la consigne du régulateur. La v anne de réglage "LCV " (Lev el Controle V anne) est l'élément de la chaîne de régulation permettant de faire v arier le débit d'alimentation en fonction de la consigne.

1.2.2 Régulation de pression

Régulation de pression [pression] La cuv e est sous pression Po (air comprimé par ex emple). Po est la grandeur à régler. La grandeur réglante est le débit d'alimentation. Les perturbations prov iennent de l'utilisation.

1.2.3 Régulation de débit

Régulation de débit [debit]

1.3 Fonction de la vanne de réglage 1.4 Contraintes dues au fluide et à l'environnement La v anne de réglage dev ra être conçue et fabriquée de manière à fonctionner correctement, et av ec un minimum d'entretien, malgré un certain nombre de problèmes posés par le fluide et par son env ironnement. Le fluide qui passe dans la v anne de réglage peut être : Corrosif (attaque chimique des matériaux ) ; Chargé de particules solides (érosion, encrassement de la v anne) ; Chargé de bulles gazeuses, ou constitué d'un mélange de liquides et de gaz non homogènes ; V isqueux (ex emple de l'huile) ; Inflammable ou ex plosif en présence de l'air, d'une étincelle ; Tox ique, donc dangereux en cas de fuite ; Dangereux , car il peut se transformer chimiquement tout seul (poly mérisation) ou réagir av ec d'autres produits, parfois v iolemment ; Un liquide qui se solidifie lorsque la température baisse (cristallisation) ; Un liquide qui se v aporise lorsque la température augmente ou que la pression diminue ; Une v apeur qui de condense lorsque la température baisse ou que la pression augmente ; Sous forte pression ou sous v ide ; L'analy se approfondie et la résolution de ces problèmes doiv ent permettre d'assurer la sécurité du personnel et des installations, ainsi que le bon fonctionnement de la v anne. L'ambiance ex térieure peut poser les problèmes suiv ants : Atmosphère ex plosiv e, corrosiv e, sèche ou humide, poussiéreuse, chaude ou froide... V ibrations, dues par ex emple à une machine v oisine ; Parasites, dus à des appareils demandant une grande puissance électrique.

1.5 Éléments constituants la vanne de réglage La v anne (fig. coupe) est constituée de deux éléments principaux : Le serv o moteur : c'est l'élément qui assure la conv ersion du signal de commande en mouv ement de la v anne ; Le corps de v anne : c'est l'élément qui assure le réglage du débit.

Vue en coupe d'une vanne de régulation pneum atique [coupe] Et aussi d'un certain nombre d'éléments aux iliaires : Un contacteur de début et de fin de course ; Une recopie de la position ; Un filtre détendeur ; Un positionneur (fig. pos) : il régule l'ouv erture de la v anne en accord av ec le signal de commande.

Positionneur [pos]

1.6 Forme du corps de vanne On distingue les différents corps de v annes : Le corps droit ; l'entrée et la sortie sont dans le même ax e ; Le corps d'angle ; l'entrée et la sortie sont dans deux plans perpendiculaires ; Le corps mélangeur ; il possède deux entrées et une sortie afin de permettre le mélange de deux fluides ; Le corps de dériv ation (répartiteur) ; il possède une entrée et deux sorties afin de permettre la séparation du fluide suiv ant deux directions.

1.7 Type de corps de vanne On distingue les différents corps de v annes : Le corps droit ; l'entrée et la sortie sont dans le même ax e ; Le corps d'angle ; l'entrée et la sortie sont dans deux plans perpendiculaires ; Le corps mélangeur ; il possède deux entrées et une sortie afin de permettre le mélange de deux fluides ; Le corps de dériv ation (répartiteur) ; il possède une entrée et deux sorties afin de permettre la séparation du fluide suiv ant deux directions.

1.8 Type de corps de vanne

Sim ple siège

Double siège

Cage

Mem brane

Papillon Clapet sim ple siège Av antage : bonne étanchéité à la fermeture ( après rodage du clapet sur le siège); ex istence de clapets rév ersibles à double guidage permettant d'inv erser le sens d'action du corps de v anne par un montage à l'env ers. Inconv énients: la poussée du liquide ex erce une force importante sur le clapet ce qui nécessite un actionneur puissant d'où utilisation d'un simple siège pour une différence de pression faible ; frottements importants au niv eau du presse étoupe ; passage indirect donc plus grand risque de bouchage par des particules en suspension. Clapet double siège

Constitué par deux clapets et par deux sièges v issés. Le principal av antage apporté au corps de v anne à simple siège concerne son équilibrage, c'est à dire la diminution de la force résultante due à la poussé du fluide sur le clapet donc utilisable pour des fortes différence de pression. Son principal inconv énient est une mauv aise étanchéité de la fermeture du fait de la double portée. Clapet à cage Il comprend un obturateur et une cage. Le fluide arriv e perpendiculairement à la cage et passe par un espace déterminé par la position de l'obturateur (sorte de piston) à l'intérieur de la cage. En position basse les trous situés à la partie inférieure de la cage sont obturés et réalise ainsi l'étanchéité de la v anne à la fermeture. Av antages : équilibrage grâce aux trous dans l'obturateur ; bonne étanchéité à ]a fermeture ; bonne plage de réglage ; cages spécifiques possibles pour obtenir différentes caractéristiques, ou pour résoudre un problème de cav itation (cage anti-cav itation) ou de bruit ( cage anti-bruit). Le changement de cage est aisé. Inconv énients : corps droit non rév ersible ; risque de coincement de l'obturateur dans la cage av ec des fluides chargés de particules solides. Clapet à m em brane 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 sy nthétique généralement et la partie inférieure du corps de v anne. Av antages : solution peu coûteuse ; supprime les presse étoupes d'où le risque de fuites év entuelles ; bonne étanchéité à la fermeture. Inconv énients : précision de réglage très médiocre ; caractéristique statique mal définie ; pression max imale supportable faible ; température max imale d'env iron 200°C. 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 v ariation de la section de passage se fait par inclinaison de ce disque par rapport à la v erticale. La tige de l'obturateur effectue un mouv ement de rotation, ce qui est nettement préférable pour le presse étoupe (meilleure étanchéité). Cette rotation est souv ent limitée à un angle d'ouv erture de 60° à cause de l'importance du couple ex ercé par le fluide. Ce ty pe de v anne n'est réalisable que pour des grands diamètres DN > 4". V ue la surface de l'obturateur et la forme de celui-ci, il ne peut être utilisé pour des pressions très élev ées. 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 mauv aise le plus souv ent. Ë noter aussi un frottement du à la force de poussée du liquide qui plaque la tige de obturateur contre la garniture (effort transv ersal).

1.9 Les servomoteurs Le serv omoteur est l'organe permettant d'actionner la tige de claper de la v anne. L'effort dev eloppé par le serv omoteur à deux buts :

Lutter contre la pression agissant sur le clapet ; Assurer l'étencéité de la v anne ; Ces deux critères conditionnent le dimentionnement des serv omoteurs. Le fluide moteur peut être ; de l'air, de l'eau, de l'huile, de l'électricité (serv omoteur électrique). En général, le fluide est de l'air et la pression de commande v arie de 0,2 bar à 1 bar. On distingue : Le serv omoteur classique à membrane, conv entionnel (à action direct ou inv erse) ou rév ersible (on peut changer le sens d'action). Le serv omoteur à membranes déroulante, surtout utilisé pour les v annes rotativ es. Le serv omoteur à piston, utilisé lorsque les efforts à fournir sont trés importants. La pression de commande peut être importante. Le fluide moteur peut être de l'air, de l'eau ou de l'huile. Le serv omoteur électrique, utilisé pour les v annes rotativ es. On associe à un moteur électrique un réducteur de v itesse permettant ainsi d'obtenir des couples très importants.

2. Caractéristiques des vannes de régulation 2.1 Caractéristique intrinsèque de débit C'est la loi entre le débit Q et le signal de commande de la v anne Y , la pression différentielle &Delta P aux bornes de la v anne étant maintenue constante. On distingue essentiellement trois ty pes de caractéristiques intrinsèques de débit : Linéaire ; Égal pourcentage ; Tout ou rien (ou Quick Opening).

2.2 Débit linéaire PL Le débit év olue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est une droite. Des accroissements égaux du signal v anne prov oquent des accroissements égaux de débit.

Caractéristique linéaire [PL]

2.3 Débit égal en pourcentage EQP

La caractéristique est une ex ponentielle. Des accroissements égaux du signal v anne prov oquent des accroissements égaux de débit relatif.

Caractéristique égal pourcentage [EQP]

2.4 Débit tout ou rien PT Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pour atteindre alors env iron 80% du débit max imum.

Caractéristique tout ou rien [PT]

2.5 Caractéristique installée C'est la loi de v ariation du débit en fonction du signal de commande. Cette caractéristique est fonction : De l'installation, des conditions de serv ice ; De la v anne, c'est-à-dire de sa caractéristique intrinsèque de débit.

2.6 Modélisation de la relation EQP On complète ici ce qui à été dit dans le chapitre Métrologie, concernant la représentation des relations entre les grandeurs phy sique. La relation qui nous intéresse ici est celle représentée sur la figure EQP2. C'est la relation entre le débit d'une v anne et sa commande, lorsque sa caractéristique intrinsèque est de ty pe égal pourcentage. Dans ce cas particulier, par analogie av ec ce qui a été dit précédemment, on peut alors écrire :

(1 )

Relation entre débit et com m ande [EQP2]

3. Position de la vanne en cas de manque d'air 3.1 Un choix à effectuer Le choix imposé de la position d'une v anne en cas de panne d'air moteur (ouv erte ou fermée) est basé sur la réponse du procédé et doit être effectué afin d'assurer la sécurité du personnel et des installations. Ex emples classiques : Combustible v ers brûleurs : FERMÉE Eau de refroidissement v ers échangeur : OUV ERTE Ce choix doit être déterminé en collaboration av ec le spécialiste du procédé et fait partie intégrante de la spécification de la v anne régulatrice. Il appartient au constructeur de choisir un ensemble de v anne et serv omoteur adapté à l'ex igence formulée, et de fournir év entuellement des équipements supplémentaires permettant le respect de cette ex igence.

3.2 Cas des servomoteurs à diaphragme, a piston simple effet En cas de panne d'air, par action du ressort antagoniste, le serv omoteur prend une position

ex trême permettant d'amener l'obturateur en position de fermeture ou d'ouv erture complète. Ces ty pes de serv omoteurs ne posent donc pas de problème particulier pour le respect de la spécification, serv omoteurs directs (fig. dir), "inv erses" (fig. inv) ou rév ersibles.

Servo m oteur à action directe [dir]

Servo m oteur à action inverse [inv]

3.3 Cas des servomoteurs à piston double effet En cas de panne d'air, le piston prend une position quelconque selon la force ex ercée par le fluide sur l'obturateur de la v anne. Afin de forcer la position de l'obturateur, il est donc nécessaire de prév oir un dispositif comprenant une réserv e d'air comprimé et des éléments de commutation permettant d'amener la v anne à la position choisie en cas de panne d'air de réseau de distribution.

3.4 Maintien de la vanne régulatrice de position Pour év iter un changement brutal dans la circulation d'un fluide dans un procédé, en cas de panne d'air moteur on peut spécifier, en plus de la position ultime fix ée précédemment, un dispositif bloquant la v anne dans la position qu'elle occupait au moment où la pression d'air dans le réseau de distribution atteignait une v aleur basse limite.

4. Capacité de débit d'une vanne 4.1 Rappel Il a été établi que la loi liant le débit Q_v à la section de passage Sp et à la &Delta P est la suiv ante :

(2)

av ec : Q_v : Débit v olumique en m 3 /s ; &Delta P : Perte de charge du fluide dans la v anne en Pa ;

Sp : Section de passage entre le siège et clapet en m 2 ; rho : Masse v olumique du fluide en kg/m 3 ; k : coefficient dépendant du profil interne de la v anne en ??. Nous constatons que : Le débit v arie proportionnellement à la section de passage ; Le débit est proportionnel à la racine carrée de la perte de charge ; Le débit v olumique est inv ersement proportionnel à la racine carrée de la masse v olumique. Pour un liquide, lorsque la température ne v arie que de quelques degrés, sa masse v olumique est à peu près constante, donc, le débit ne v arie qu'en fonction de la perte de charge et de la section de passage.

4.2 Capacité du corps de vanne Nous v oy ons donc que le débit max imum Qv _{max i} ne dépend pas que de la section de passage Sp_max i, mais aussi de la densité du fluide, de la perte de charge, et du coefficient de forme interne du corps. Deux corps de v anne présentant la même section de passage n'ont donc pas forcément la même capacité. On ne peut comparer les capacités de corps de v annes différents ay ant une même section de passage Sp qu'en respectant les conditions d'essais suiv antes : Même fluide ; Même différence de pression. Ainsi, le coefficient de profil interne k ex plique les différences de capacités entre deux corps de v annes de ty pes différents et de Sp identiques. Nous v oy ons donc que la capacité à elle seule ne permet pas de comparer les possibilités de débit des corps de v anne.

4.3 Cv du corps de vanne Le coefficient de débit Cv , utilisé pour la première fois par Masoneilan en 1 944, est dev enu rapidement l'étalon univ ersel de mesure du débit de fluide qui s'écoule dans une v anne. Ce coefficient est en effet si pratique qu'il est maintenant presque toujours employ é dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des v annes ou à la détermination des débits qui les trav ersent. Par définition, le coefficient Cv est le nombre de gallons U.S. d'eau à 1 5\ °C, trav ersant en une minute une restriction lorsque la chute de pression au passage de cette restriction est de 1 \ PSI. On a:

(3)

Av ec : P en PSI (0,069\ bar) ; d : densité (par rapport à l'eau) ; Q_v : en gallon/min (3,7 85\ l/min). Le Cv est un repère de grandeur au moy en duquel le technicien peut déterminer rapidement et av ec précision la dimension d'une restriction connaissant les conditions de débit, de pression év entuellement d'autres paramètres annex es 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 v anne est fermée ; Cv = Cv _{max i} lorsque la v anne est complètement ouv erte.

Le Cv dépend aussi du profil interne de la v anne et du ty pe d'écoulement dans la v anne.

Valeurs de Cv de vannes [default] Diamètre

\multicolumn{2}{|c|}{V anne à clapet classique}

V anne

V anne ty pe

en pouce

simple siège

double siège

à cage

1

9

12

20

14

2

36

48

72

50

V anne CAMFLEX papillon

90

4.4 Kv du corps de vanne En unité du sy stème plus classique pour nous :

(4)

&Delta P en bar ; d : densité (par rapport à l'eau) ; Q_v : débit en m 3 /h ; On démontre que : Cv =1 ,1 6 Kv

4.5 Cas des liquides visqueux, écoulement laminaire On obtient un écoulement laminaire au lieu de l'écoulement turbulent habituel quand la v iscosité du

liquide est élev ée ou lorsque la chute de pression est petite. Pour dimensionner la v anne, calculer le coefficient de débit Cv en écoulement turbulent puis en écoulement laminaire et utiliser la v aleur obtenue la plus grande. Cv en écoulement laminaire :

(5)

av ec : \mu : V iscosité dy namique à la température de l'écoulement en centipoise ; Q_v : Débit du liquide en m 3 /h ; &Delta P : V ariation de pression en bar.

4.6 Cas des gaz Dans le cas ou le fluide en circulation est un gaz et que son écoulement n'est pas critique on a :

(6)

av ec : Q_v : Débit v olumique du gaz en Nm 3 /h ; &Delta P : Pression différentielle en bar ; P_2 : Pression absolue du gaz en av al de la v anne en bar ; P_1 : Pression absolue du gaz en amont de la v anne en bar ; d : Densité du gaz par rapport à celle de l'air ; T : Température du gaz en K.

5. Calcul de Cv 5.1 Cv équivalent de plusieurs vannes en parallèle Pour un montage de deux v annes en parallèles (fig. parrallele). Qeq = Q1 + Q2 ; &Delta Peq = &Delta P_1 = &Delta P_2 ; (7 )

Vannes en parallèle [parrallele]

5.2 Cv équivalent de plusieurs vannes en série Pour un montage de deux v annes en série (fig. serie).

Qeq=Q_1 =Q_2 ; &Delta Peq = &Delta P_1 + &Delta P_2 ;

(8)

Vannes en serie [serie]

5.3 Influence des convergents-divergents Quand une v anne n'est pas de la même dimension que la tuy auterie, elle est installée entre un conv ergent et un div ergent. Ceux -ci créent une chute de pression supplémentaire prov oquée par la contraction et la dilatation de la v eine fluide. Le Cv calculé doit être corrigé par la relation suiv ante : (9) Le coefficient de correction Fp déterminé ex périmentalement est habituellement fourni par le constructeur. Il peut être aussi déterminé de manière approchée à partir des formules suiv antes. Il est alors calculé en considérant que la contraction et la dilatation de la v eine fluide se font d'une façon brutale. La chute de pression est donc surestimée et l'on ne risque pas de sous-dimensionner la v anne.

(1 0)

av ec : Fp : Facteur de correction de débit en écoulement non critique pour installation av ec conv ergent-div ergent (angle au sommet du conv ergent supérieur à 40 ) ; Fp' : Facteur de correction de débit en écoulement non critique pour installation av ec un div ergent seul ou av ec conv ergent-div ergent lorsque l'angle au sommet du conv ergent est inférieur à 40 ; Cv : Coefficient de débit ; d : Diamètre de la v anne en mm ; D : Diamètre de la tuy auterie en mm.

convergent-divergent [divconv]

6. Cavitation et vaporisation 6.1 Variation de la pression statique à travers une vanne En application du théorème de Bernoulli, la restriction de la section de passage présentée par la v anne et son opérateur prov oque une augmentation de la pression dy namique. Il en résulte une diminution de la pression statique plus ou moins importante selon : La géométrie interne de la v anne ; La v aleur de la pression statique en av al de la v anne. Cette diminution de la pression statique de la v anne doit être comparée à la tension de v apeur 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.

Pression statique dans le corps de vanne [statique]

6.2 Cavitation Lorsque la pression statique dans la v eine fluide décroît et atteint la v aleur de la tension de v apeur du liquide à la température d'écoulement, le phénomène de cav itation apparaît (formation de petites bulles de v apeur au sein du liquide, courbe 2 sur la figure statique).

Quand la pression statique s'accroît à nouv eau (diminution de la v itesse par élargissement de la v eine fluide), les bulles de v apeur se condensent et implosent Ce phénomène de cav itation présente les inconv énients suiv ants : Bruit, d'un niv eau sonore inacceptable, très caractéristique car semblable à celui que prov oqueraient des cailloux circulant dans la tuy auterie ; V ibrations à des fréquences élev ées ay ant pour effet de desserrer toute la boulonnerie de la v anne et de ses accessoires ; Destruction rapide du clapet, du siège, du corps, par enlèv ement de particules métalliques. Les surfaces soumises à la cav itation présentent une surface granuleuse ; Le débit trav ersant la v anne n'est plus proportionnel à la commande (v oir courbe). C'est généralement les v annes les plus profilées intérieurement qui on une tendance accrue à la cav itation.

Cavitation

Piqure

6.3 Vaporisation Si la pression statique en av al de la v anne est faible (forte perte de charge dans la v anne), le processus d'implosion des bulles gazeuses ne se produit pas : celles-ci restent présentes dans la v eine fluide, d'où le phénomène de v aporisation (courbe 3, figure statique). Ce phénomène de v aporisation présente les inconv énients suiv ants : Bruit, d'un niv eau sonore moindre que celui prov oqué par la cav itation ; Dommages mécaniques sur le clapet, le siège et le corps, par passage à grande v itesse d'un mélange gaz-liquide. Les surfaces ex posées à ce phénomène présentent des cav ités d'un aspect poli ; Régime critique.

6.4 Conséquences pratiques

Pour év iter le bruit et la destruction rapide de la v anne, on doit calculer et choisir une v anne de régulation ne présentant pas de phénomène de cav itation. Tout au plus peut-on accepter une cav itation naissante. De même, une v anne présentant un phénomène de v aporisation ne doit pas être employ ée. La chute de pression max imum utilisable pour l'accroissement du débit (&Delta Pc) et en particulier les conditions de pression pour lesquelles une v anne sera complètement soumise à la cav itation peuv ent être définies grâce au facteur F_L, de la façon suiv ante :

(1 1 )

av ec : P_1 : Pression en amont de la v anne ; Pv : Pression de v apeur du liquide à la température en amont. Pour les applications où aucune trace de cav itation ne peut être tolérée, il faut utiliser un nouv eau facteur Kc au lieu de la v aleur de F_L. Ce même facteur Kc sera utilisé si la v anne est placée entre un conv ergent et un div ergent. Pour trouv er la chute de pression correspondant au début de cav itation, utiliser la formule suiv ante :

(1 2)

Des solutions techniques doiv ent donc être trouv ées pour év iter cav itation et v aporisation dans les v annes de régulation. Si l'on se réfère aux relations précédentes, il suffit, pour év iter la cav itation, de ramener la chute de pression dans la v anne à une v aleur inférieure à Pc. On peut donc : Augmenter la pression en amont et en av al en choisissant pour la v anne une position qui se trouv e à un niv eau bas dans l'installation : ceci augmente la pression statique ; Sélectionner un ty pe de v anne ay ant un facteur F_L plus important ; Changer la direction du fluide; le facteur F_L d'une v anne d'angle utilisée av ec écoulement "tendant à ouv rir" au lieu de "tendant à fermer" passe de 0,48 à 0,9 ce qui signifie que la chute de pression peut être au moins triplée. Installer deux v annes semblables, en série, et l'on calculera le facteur F_L total des deux v annes de la façon suiv ante : F_{Leq} = F_L d'une v anne.

© 2009 Patrick Gatt Contact