Comprendre le couple pour les robinets quart de tour

Le couple est la force nécessaire pour tourner la tige d'une valve, ce qui permet d'ouvrir ou de fermer la valve. L'estimation du couple permet de déterminer le type et la taille de l'actionneur nécessaire pour le système de vannes. Cet article explique comment estimer le couple pour différentes conceptions.

Table des matières

• Couple d'actionnement pour les vannes
• Importance du couple de l'actionneur droit
• Différentes mesures de couple
• Marge de sécurité
• Couple dans différents types de vannes
• FAQ

Couple d'actionnement pour les vannes

Le couple de l'actionneur fait référence au couple qu'un actionneur peut créer. En faisant tourner la tige de la vanne, un actionneur convertit le couple en mouvement de la vanne (ouverture, fermeture ou maintien du mouvement).

Il est important de noter que chaque type de soupape a besoin d'un couple spécifique pour s'ouvrir ou se fermer complètement. La quantité de couple qu'un actionneur peut produire est un facteur clé dans la définition de ses capacités de performance. En fonction de leur capacité de couple, différents actionneurs sont adaptés à différentes tâches. Le couple de l'actionneur doit être supérieur au couple de rupture de la vanne (voir plus loin).

Importance du couple de l'actionneur droit

Une force de rotation insuffisante pour une valve donnée peut entraîner de graves problèmes. Par exemple, si un actionneur n'a pas assez de force pour tourner la tige du robinet, le robinet ne s'ouvre pas et peut rester bloqué à mi-chemin. Mais si un actionneur exerce une force trop importante, il risque d'endommager la vanne et le système.

Caractéristiques du couple de la soupape

Le couple nécessaire pour actionner différentes vannes varie en fonction de leur application, de leur conception et de leur type.

• Une vanne papillon nécessite une force de rotation importante pour la mettre en marche ou l'arrêter, mais requiert une force minimale pour étrangler le flux. En revanche, un robinet à tournant sphérique doté d'un siège métallique nécessite une force de rotation importante (les matériaux durs utilisés pour la bille et le siège créent un contact métal-métal à frottement élevé) pour l'ouvrir ou le fermer et régler le débit.
• Une vanne de régulation a généralement besoin d'un couple plus important que les vannes tout ou rien dont les fonctions sont simples, comme l'ouverture ou la fermeture. Les vannes de régulation nécessitent un couple plus important car elles fonctionnent dans des conditions de débit et de pression variables, et doivent maintenir leur position contre les forces du fluide afin de conserver un contrôle précis. Les vannes tout ou rien ne font que passer d'une position complètement ouverte ou fermée à une autre, sans moduler ou résister à des variations continues de pression, ce qui nécessite un couple moins important.

Différentes mesures de couple

Il existe différents types de couple :

• Couple de rupture : Le couple de rupture, également appelé couple d'ouverture, est le couple nécessaire pour ouvrir une vanne à partir de sa position fermée.
• Couple courant : Le couple de fonctionnement, ou couple à mi-course, est le couple nécessaire pour surmonter les forces de frottement lorsque la vanne est en mouvement, en maintenant sa position à n'importe quel point entre l'ouverture complète et la fermeture complète.
• Couple de fermeture : Le couple de fermeture, également appelé couple d'étanchéité, est nécessaire pour fermer complètement une soupape.
• Couple maximal admissible de la tige (MAST) : Le MAST, ou couple maximal de l'arbre, est le couple le plus élevé qui peut être appliqué aux composants d'un robinet, tels que la tige, sans causer de dommages ou de défaillance.

Le couple maximum de l'actionneur ne doit jamais dépasser le MAST de la vanne pendant le fonctionnement. Pour les applications utilisant des actionneurs manuels, le couple produit par la poignée ou la boîte de vitesses n'est généralement pas très élevé, de sorte que le risque de dépassement de la MAST de la vanne est moins important. Les vannes quart de tour manuelles sont souvent utilisées dans des applications où il n'y a pas d'alimentation électrique ou lorsqu'un mécanisme de sécurité est souhaité. Cependant, les vannes manuelles peuvent également se bloquer, nécessitant un couple plus important pour s'ouvrir que celui qui peut être appliqué à la main. Dans ce cas, l'utilisateur doit allonger le "bras de couple" en utilisant une poignée plus longue ou une clé.

Marge de sécurité

Lors du calcul de la valeur maximale du couple pour une vanne, il peut y avoir des erreurs qui peuvent conduire à des accidents dans l'industrie. Ces accidents peuvent être coûteux et causer des dommages importants. Il est recommandé de conserver une marge de sécurité de 25 %. Par exemple, s'il faut un couple de 125 pouces-livres (in-lb) pour fermer une vanne, l'utilisateur doit planifier comme s'il fallait un couple de 150 in-lb pour la fermer, ce qui permet de conserver une marge de sécurité de 25 %.

En règle générale, le MAST doit être

• 1,2 fois le couple de l'actionneur pour les vannes utilisées dans les services généraux.
• 1,5 fois le couple de l'actionneur pour les tâches lourdes comme la purge
• 2 fois le couple de l'actionneur pour les applications de sécurité telles que l'arrêt de l'usine

Couple dans différents types de vannes

Pour tous les types de vannes, les fabricants prennent en compte les facteurs suivants lors du calcul du couple :

• Taille de la vanne et pression nominale : Les soupapes plus grandes et les soupapes conçues pour des pressions plus élevées nécessitent généralement un couple plus important.
• Pression différentielle : Les différentiels de pression plus élevés nécessitent généralement un couple plus important pour fonctionner.
• Propriétés des médias : Le type de fluide (liquide, gaz, boue), sa viscosité et la présence éventuelle de particules peuvent influer sur le couple requis.
• Température : Des températures plus élevées peuvent modifier les propriétés du matériau du siège, ce qui affecte le couple.
• Matériau du siège : Les vannes dont les sièges sont plus souples nécessitent généralement moins de couple pour fonctionner.
• Période d'arrêt : Les vannes qui sont restées en position stationnaire pendant une période prolongée peuvent nécessiter un couple plus important pour fonctionner en raison de l'augmentation des frottements.
• Lubrification : Une bonne lubrification permet de réduire les exigences en matière de couple.

Couple de la vanne papillon

Les calculs de couple varient selon les différents styles de vannes papillon en raison de leurs caractéristiques de conception uniques.

• Vannes papillon à siège résilient :
  • Le siège d'une vanne papillon à siège élastique est légèrement plus grand que le disque, et lorsque la vanne est fermée, le disque comprime le siège. Cela garantit l'étanchéité du joint et augmente le couple nécessaire pour actionner la vanne.
  • Avec le temps, le siège en caoutchouc peut s'user ou se modifier sous l'effet de la compression, ce qui peut modifier les exigences en matière de couple.
• Vannes papillon à haute performance :
  • Les vannes papillon à haute performance ont souvent un siège métallique ou une combinaison de métal et de matériaux plus souples, qui peuvent supporter des températures et des pressions plus élevées que les vannes à siège résilient.
  • Le calcul du couple pour ces vannes doit inclure des facteurs tels que l'interférence entre le disque et le siège, le frottement des roulements et les caractéristiques du fluide à haute pression ou température.
  • Les soupapes à haute performance ont tendance à avoir des exigences de couple constantes tout au long de leur cycle de vie, car les sièges métalliques ne se dégradent pas aussi rapidement que le caoutchouc.
• Vannes papillon à triple excentration :
  • Contrairement aux vannes papillon à siège élastique, les vannes papillon à triple excentration ont généralement un siège et un joint métal sur métal. Cette conception peut supporter des températures et des pressions plus élevées, mais nécessite une plus grande précision dans la fabrication pour assurer l'étanchéité du joint. Le couple nécessaire pour obtenir cette étanchéité dépend principalement de la précision des composants et de la force nécessaire pour surmonter la résistance initiale lorsque le joint en métal laminé ou massif entre en contact avec le siège.

Exemple

Pensez à choisir une vanne papillon pour un système de distribution d'eau. Le client a les spécifications suivantes pour le système :

• Moyen : Eau
• Pression de fonctionnement maximale : 150 psi (livre-force par pouce carré)
• Température de fonctionnement maximale : 25°C (77°F)
• Taille du tuyau : 8 pouces (DN200)

Le client a l'intention d'utiliser un actionneur électrique pour actionner la vanne et veut s'assurer que l'actionneur sélectionné peut fournir un couple suffisant pour ouvrir et fermer la vanne dans toutes les conditions de fonctionnement.

Se référer aux tableaux ou courbes de couple du fabricant de la vanne pour calculer les exigences exactes en matière de couple. Dans cet exemple, le couple correspondant à un tuyau de 8 pouces et à une pression de 150 psi est de 1 180 pouces-livres (tableau 1). En tenant compte d'un facteur de sécurité de 1,5, choisissez un actionneur qui fournit un couple de 1 770 livres-pouces. Certains fabricants fournissent également le facteur de sécurité exact à multiplier par le couple estimé pour diverses applications.

Tableau 1 : Exemple de diagramme de couple pour vanne papillon

Valeurs de couple (pouces-livres)
Taille (pouces)	Pression différentielle
	125 psi	150 psi	200 psi	250 psi
2	100	106	111	117
2 ½	150	160	176	189
3	200	220	322	244
4	290	320	357	390
5	420	480	540	598
6	600	690	783	875
8	1,060	1,180	1,300	1,430
10	1,670	1,872	2,000	2,275
12	2.568	2,790	3,000	3,250
14	2,640	3,000	-	-
16	4,260	4,880	-	-
18	6,280	7,243	-	-
20	8,360	9,180	-	-
24	15,427	16,813	-	-

Calcul du couple d'un robinet à boisseau sphérique

Les variations dans la conception des robinets à tournant sphérique peuvent entraîner des différences significatives dans les exigences de couple.

• Robinets à bille flottants : Dans un robinet à tournant sphérique flottant, la bille est placée par la compression des deux sièges en élastomère contre elle. La balle est libre de pivoter, d'où le terme "flottant". Lorsque la vanne est fermée, la pression du fluide pousse la bille contre le siège, créant ainsi un joint. Le couple requis pour un robinet à tournant sphérique flottant augmente avec la pression du fluide car une pression plus élevée pousse la sphère plus fort contre le siège, ce qui augmente la friction.
• Robinets à tournant sphérique montés sur tourillon : Les vannes montées sur tourillon disposent d'un support supplémentaire pour la bille, généralement avec un arbre en haut et en bas. Cette conception réduit le couple nécessaire pour tourner la vanne, en empêchant la bille de pousser contre les sièges sous pression. Par conséquent, les robinets à tournant sphérique montés sur tourillon sont souvent préférés pour les grandes tailles et les applications à haute pression où un robinet à tournant sphérique flottant nécessiterait un couple excessif.
• Robinets à boisseau sphérique à entrée par le haut : Le couple nécessaire pour actionner un robinet à boisseau sphérique à entrée par le haut est généralement relativement faible. Cependant, le couple requis peut augmenter de manière significative si la vanne n'est pas correctement dimensionnée, si la pression différentielle est élevée ou si la vanne n'est pas lubrifiée.
• Port complet ou port réduit: Les robinets à tournant sphérique à passage intégral ont un diamètre interne égal à celui de la canalisation, ce qui minimise la chute de pression à travers le robinet mais peut nécessiter un couple plus important en raison de la plus grande surface du tournant sphérique en contact avec les sièges. Les soupapes à orifice réduit ont un alésage plus petit et peuvent nécessiter un couple plus faible.
• Matériau du siège : Les robinets à tournant sphérique à siège souple, qui utilisent généralement des matériaux tels que le PTFE, ont des exigences de couple plus faibles en raison des caractéristiques de frottement plus faibles du matériau du siège. Les vannes à siège métallique, utilisées dans des conditions de service plus sévères, nécessitent un couple plus important.

Lisez notre article sur les vannes pour l'hydrogène pour plus de détails sur les paramètres à prendre en compte lors de la sélection d'une vanne pour l'hydrogène.

FAQ

Quel est le couple d'une vanne de régulation ?

Le couple d'une vanne de régulation est la mesure de la force nécessaire pour faire tourner l'élément de fermeture de la vanne, tel qu'une bille, un disque ou un clapet, afin d'obtenir le contrôle de débit souhaité.