Robinets à soupape - Guide complet

Un robinet à soupape est un type de vanne de contrôle utilisé pour moduler le débit. Bien qu'un corps en forme de globe soit une caractéristique typique des robinets à soupape, ceux-ci peuvent avoir une variété de formes et de tailles, en fonction de leur conception. Une compréhension approfondie du fonctionnement d'un robinet à soupape peut aider à déterminer la bonne solution pour chaque application.

Table des matières

• Qu'est-ce qu'un robinet à soupape ?
• Fonctionnement d'un robinet à soupape
• Variantes de conception des robinets à soupape
• Robinets à soupape manuels ou automatisés
• Comparaison des robinets à soupape avec d'autres types de robinets
• Avantages et inconvénients des robinets à soupape
• Choisir un robinet à soupape pour votre application
• Questions fréquemment posées sur les robinets à soupape

Qu'est-ce qu'un robinet à soupape ?

Caractérisés à l'origine par leur corps de vanne de forme sphérique, les robinets à soupape utilisent un clapet ou un disque mobile pour contrôler le débit entre les deux chambres séparées du corps de la vanne. Le disque se déplace dans une direction linéaire lorsque son actionneur (volant ou servomoteur tel que celui de la figure 1) fait tourner la tige en soulevant ou en abaissant le clapet ou le disque. Cela permet de laisser passer le flux, de moduler le flux ou d'arrêter le flux à travers l'orifice.

Fonctionnement d'un robinet à soupape

La structure extérieure d'un robinet à soupape comprend un corps de vanne, un volant et un chapeau. Une tige de soupape filetée ou une vis se connecte au volant et pénètre dans le chapeau. À l'extrémité intérieure de la tige de la vanne se trouve un disque ou un clapet, qui peut avoir différentes formes, en fonction de l'application.

Un robinet à soupape se compose de cinq éléments principaux : le corps du robinet, le chapeau, le volant, la tige et le clapet. Le fluide s'écoule dans le corps de la valve par une entrée et sort du corps de la valve par une sortie. Le chapeau protège les composants filetés de la valve et se fixe au corps de la valve. Lorsque l'utilisateur tourne le volant, il fait tourner la tige filetée qui, à son tour, soulève ou abaisse le clapet. Le fait de relever le clapet ouvre l'orifice, ce qui permet l'écoulement du fluide, tandis que le fait d'abaisser le clapet dans le siège de la vanne ferme l'orifice, ce qui empêche l'écoulement. Comme il s'agit d'une vanne multitour, le volant doit être tourné plusieurs fois pour passer de la fermeture complète à l'ouverture complète. Cependant, l'un des principaux avantages de cette vanne est sa capacité à étrangler ou à moduler le débit en la laissant partiellement ouverte.

Les robinets à soupape présentent un inconvénient connu sous le nom de perte de charge, également appelée perte de pression ou perte de friction. La perte de charge résulte des turbulences provoquées par le double changement de direction du fluide lors de son passage.

La perte de charge créée par une vanne est mesurée à l'aide du coefficient L/D, qui compare les vannes à une section droite de tuyau. L signifie longueur et D signifie diamètre. Une vanne ayant un rapport L/D=5 créera la même perte de charge qu'une conduite ayant le même rapport L/D, toutes choses étant égales par ailleurs. Pour les robinets à soupape standard, les robinets droits ont un rapport L/D=~340 et un robinet à soupape standard à 90 degrés a un rapport L/D=~150. Il est également important de mesurer les valeurs Kv et Cv de votre vanne.

• Valeur Kv : indication du débit de liquide ou de gaz à travers une vanne pour un fluide et une chute de pression donnés. Kv = Cv / 1.156.
• Valeur Cv : c'est le débit d'eau en gallons par minute à une température de 60 degrés Fahrenheit et à une chute de pression de 1 psi. Cv = 1,156 x Kv.

Variantes de conception des robinets à soupape

Les robinets à soupape sont disponibles dans une variété de formes, ou de variations de conception, afin d'abaisser le coefficient L/D des robinets à soupape et de réduire la perte de charge. Les trois types arrêtent ou étranglent l'écoulement des fluides de la même manière, mais chaque forme modifie la trajectoire de l'écoulement, ce qui affecte l'importance de la perte de charge.

Robinet à soupape T ou Z

Le type de robinet à soupape le plus courant est en forme de t ou de z (figure 3 à gauche). Bien que le profil de la valve soit en "t", la forme en "z" est sans doute plus descriptive de la manière dont le fluide s'écoule à travers le dispositif. Dans le robinet à soupape standard en forme de Z, l'eau change de direction selon un schéma qui ressemble à la lettre Z. Ces robinets standard en forme de Z ont la perte de charge la plus élevée, avec un L/D=~340, mais ils offrent une capacité d'étranglement plus élevée que les robinets à soupape en forme de Y ou d'angle.

Soupape en Y

Un robinet à soupape en Y (figure 3 droite) est une modification d'un robinet à soupape en T. Il s'agit d'un robinet à tournant sphérique. Bien que l'écoulement du fluide se fasse en ligne droite ou en "z", le chapeau et la tige sont placés à un angle par rapport au corps de la valve, formant un profil de valve en "y". En modifiant la position du siège de la soupape, la trajectoire de l'écoulement est plus droite, ce qui réduit la perte de charge. Les robinets à soupape en Y ont un coefficient L/D=~55, mais ils sont moins efficaces pour étrangler le débit.

Robinet à soupape à angle

Un robinet d'équerre peut servir à la fois de robinet et de coude, car ses orifices d'entrée et de sortie sont à 90 degrés l'un par rapport à l'autre. Comme il n'y a qu'un seul changement de direction du fluide, ce type de robinet à soupape réduit la perte de charge. Le coefficient des robinets à soupape d'équerre est de L/D=~150.

Robinets à soupape manuels ou automatisés

L'actionnement manuel des robinets à soupape est très courant, mais leur utilisation principale consiste à contrôler le débit, ce qui en fait d'excellents candidats à l'automatisation. Dans le cas d'un fonctionnement manuel, la rotation du volant de la vanne permet d'élever ou d'abaisser la tige filetée de la vanne, mais le volant peut être remplacé par un système automatisé utilisant un actionneur pneumatique ou électrique.

Le choix du meilleur type d'actionneur pour une application donnée dépend de la disponibilité de l'air comprimé ou de l'électricité pour alimenter l'actionneur, ainsi que de la taille de la vanne, de l'environnement d'installation, des caractéristiques opérationnelles (sécurité intégrée, durée de vie, cycle de fonctionnement, vitesse d'actionnement, couple de rupture, nécessité d'une commande manuelle) et du coût.

Comparaison des robinets à soupape avec d'autres types de robinets

Les autres vannes multitours/mouvement linéaire et les vannes quart de tour/rotatives sont des classifications courantes de vannes comparables à une vanne à soupape. Leur objectif et leur fonction déterminent la manière dont ils sont utilisés dans différentes applications.

Vannes multitours/mouvement linéaire

Les robinets à soupape appartiennent à la catégorie des robinets multitours/mouvement linéaire car ils utilisent une tige filetée multitours pour déplacer le disque du robinet dans une direction linéaire. Un robinet-vanne utilise également un volant multi-tours pour déplacer le clapet dans une direction linéaire, mais un robinet-vanne a un débit direct. La tige d'un robinet-vanne abaisse un bouchon ou une obstruction qui bloque la voie d'écoulement ou permet l'écoulement sans que le fluide ne doive changer de direction. Par conséquent, les robinets-vannes ont une perte de charge beaucoup plus faible (L/D=~8) lorsqu'ils sont complètement ouverts, mais ils ne doivent pas être utilisés pour réguler le débit en raison d'une augmentation drastique de la perte de charge et d'une usure accrue de l'opercule et du siège du robinet-vanne.

Vannes quart de tour/rotatives

Contrairement aux robinets à soupape et aux robinets-vannes, les robinets quart de tour/rotatifs s'ouvrent et se ferment par un mouvement latéral plutôt que linéaire. Au lieu d'un volant, une vanne rotative utilise une poignée de clé, se déplaçant seulement d'un quart de tour (90 degrés) pour ouvrir ou fermer la vanne. La vanne de coupure d'une conduite de gaz est un exemple courant de ce type de vanne, conçue pour une fonction marche/arrêt rapide.

Deux types courants de vannes quart de tour/rotatives sont les vannes à bille et les vannes papillon, qui diffèrent par ce qui est utilisé pour obstruer le flux. Les robinets à bille utilisent une sphère, ou bille, percée d'un trou, qui permet l'écoulement lorsque le trou est parallèle au sens de l'écoulement et le bloque lorsqu'il est en position perpendiculaire. Une vanne papillon utilise une fine plaque pour bloquer l'écoulement lorsque sa surface est perpendiculaire au sens de l'écoulement ou pour permettre l'écoulement lorsqu'elle est parallèle. Les vannes quart de tour/rotatives ont une très faible perte de charge (L/D=~3) mais n'offrent pratiquement aucune capacité d'étranglement.

Avantages et inconvénients des robinets à soupape

Les robinets à soupape présentent plusieurs avantages par rapport à d'autres types de robinets :

• Fermeture
• L'étranglement
• Facile à entretenir
• Remplacement du disque et resurfaçage du siège

Les inconvénients des robinets à soupape sont les suivants

• Perte de charge (peut être réduite avec un robinet à soupape en forme de Y ou un robinet à soupape d'angle)
• Nécessitent une plus grande force pour asseoir le robinet (les actionneurs automatisés peuvent fournir une assistance)
• Trop lent pour un arrêt rapide

Choisir un robinet à soupape pour votre application

Les robinets à soupape constituent la solution idéale dans les applications où le débit doit être modulé, mais où il n'y a pas d'inquiétude quant à l'importance de la perte de pression, par exemple :

• Systèmes d'eau de refroidissement
• Systèmes à mazout
• Systèmes d'alimentation en eau et en produits chimiques
• Évents et drains des chaudières et de la vapeur principale
• Système d'huile de lubrification de la turbine
• Applications de vidange et de compensation dans les systèmes d'extinction automatique (pas comme vannes de contrôle dans les systèmes d'extinction automatique d'incendie, où la pression est très élevée)

Critères de sélection

Les critères nécessaires à la sélection du robinet à soupape adapté à une application sont les suivants :

• Choisissez le modèle qui répond aux besoins de perte de charge et de configuration du système.
• Choisir le matériau du boîtier approprié pour l'adapter au système.
• Choisir les matériaux d'étanchéité et les raccords adéquats.
• Choisir un actionneur manuel ou automatisé pour répondre aux besoins d'un système.
• Assurer un dimensionnement adéquat pour répondre aux exigences du système.

Questions fréquemment posées sur les robinets à soupape

Qu'est-ce qu'un robinet à soupape ?

Le robinet à soupape assure la fermeture ou la régulation du débit à l'aide d'un disque à fond plat ou convexe abaissé sur un siège horizontal correspondant situé au centre du robinet.

Comment fonctionne un robinet à soupape ?

En soulevant le disque de la valve à l'aide d'une tige filetée fixée à un volant, on ouvre la valve, ce qui permet au fluide de s'écouler.

À quoi servent les robinets à soupape ?

Les robinets à soupape sont principalement utilisés pour le service marche/arrêt des fluides ainsi que pour les applications d'étranglement de débit.

Un robinet à soupape peut-il être automatisé ?

En tant que vannes de contrôle, elles sont d'excellents candidats à l'automatisation. Les choix d'automatisation comprennent les pistons pneumatiques ainsi que les actionneurs rotatifs à membrane ou électriques agissant directement sur la tige pour déplacer le disque de la vanne.