Vanne à soupape : Guide complet + Types et FAQ

Robinets à soupape - Un guide complet

Un robinet à soupape 2/2 de Bürkert

Figure 1 : Un robinet à soupape 2/2 de Bürkert

Un robinet à soupape est un type de vanne de contrôle qui est utilisé pour moduler le débit. Bien qu'un corps en forme de globe soit une caractéristique typique des robinets à soupape, ils peuvent se présenter sous différentes formes et 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

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Qu'est-ce qu'un robinet à soupape ?

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

Comment fonctionne un robinet à soupape

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

Un robinet à soupape en position ouverte (à gauche) et en position fermée (à droite) avec la tige de soupape (A), le chapeau (B), le disque ou le clapet (C) et le corps de soupape (D).

Figure 2 : Un robinet à soupape en position ouverte (à gauche) et en position fermée (à droite) avec la tige de soupape (A), le chapeau (B), le disque ou le clapet (C) et le corps de soupape (D).

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 entre 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 vanne et se fixe au corps de la vanne. Lorsque l'utilisateur tourne le volant, il fait tourner la tige filetée, qui à son tour fait monter ou descendre le clapet. En soulevant le bouchon, on ouvre l'orifice, ce qui permet l'écoulement du fluide, tandis qu'en abaissant le bouchon dans le siège de la vanne, on obture l'orifice, ce qui empêche l'écoulement. Comme il s'agit d'une vanne multi-tours, 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 de la turbulence provoquée par le double changement de direction du fluide lors de son passage.

La quantité de 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 avec L/D=5 créerait la même perte de charge qu'un tuyau avec le même L/D en supposant que toutes les autres choses sont égales. Pour les robinets à soupape standard, les robinets droits ont un L/D=~340 et un robinet à soupape standard à 90 degrés a un L/D=~150. Il est également important de mesurer les valeurs Kv et Cv de votre vanne.

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

Variations dans la 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 le montant de la perte de charge. Ces trois types de dispositifs arrêtent ou réduisent l'écoulement des fluides de la même manière, mais chaque forme modifie le trajet de l'écoulement, ce qui affecte la perte de charge.

Robinet à soupape T ou Z (gauche), robinet à soupape angulaire (milieu), robinet à soupape Y (droite)

Figure 3 : Robinet à soupape T ou Z (gauche), robinet à soupape angulaire (milieu), robinet à soupape Y (droite)

Robinet à soupape en T ou en Z

Le type de robinet à soupape le plus courant est en forme de T ou de Z (figure 3, à gauche). Bien que la forme en "t" désigne le profil de la valve, 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 en forme de Z standard 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 à angle.

Soupape en forme de Y

Le robinet à soupape en Y (figure 3, à droite) est une modification du robinet à soupape en T. Le robinet à soupape en Y est un robinet à soupape en acier inoxydable. 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 vanne, formant un profil de vanne "en y". En modifiant la position du siège de la soupape, on obtient une trajectoire d'écoulement plus droite, ce qui réduit la perte de charge. Les robinets à soupape en Y ont un coefficient de L/D=~55, mais ils sont moins efficaces pour étrangler le débit.

Robinet à soupape à angle

L'entrée et la sortie de l'angle d'écoulement dans les vannes d'angle (figure 3, au milieu) sont à un angle de 90 degrés, ce qui leur permet de servir à la fois de vanne et de coude de tuyau. 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 sur les robinets à soupape d'angle est L/D=~150.

Robinets à soupape manuels et automatiques

Robinet à soupape à actionnement pneumatique

Figure 4 : Un robinet à soupape à commande pneumatique

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'une vanne manuelle, le fait de tourner le volant sur la vanne fait monter ou descendre la tige filetée de la vanne, mais le volant peut être remplacé par un système automatisé utilisant un actionneur pneumatique ou électrique.

La sélection du meilleur type d'actionneur pour toute application dépend de la disponibilité d'air comprimé ou d'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.

Comment les robinets à soupape se comparent aux autres types de vannes

D'autres vannes multi-tours/mouvement linéaire et des vannes quart de tour/rotatives sont des classifications de vannes communes comparables à un robinet à soupape. Leur but et leur fonction déterminent la manière dont ils sont utilisés dans différentes applications.

Vannes multitours/mouvements linéaires

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 à plusieurs tours pour déplacer le clapet de la vanne dans une direction linéaire, mais un robinet-vanne a un débit direct. La tige de la vanne d'un robinet-vanne abaisse un bouchon ou une obstruction qui bloque la voie d'écoulement ou permet l'écoulement sans que le fluide ait à 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 radicale de la perte de charge et d'une usure accrue de l'obturateur 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 en utilisant un mouvement latéral plutôt qu'un mouvement linéaire. À la place d'un volant, une vanne rotative utilise une poignée de clé, qui ne se déplace que 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 se distinguent par ce qui est utilisé pour obstruer le flux. Les vannes à bille utilisent une sphère, ou bille, percée d'un trou, qui permet l'écoulement lorsque le trou est parallèle à la direction de l'écoulement et le bloque lorsqu'il est en position perpendiculaire. Une vanne papillon utilise une fine plaque pour bloquer le flux lorsque sa surface est perpendiculaire à la direction du flux ou pour permettre le flux lorsqu'elle est parallèle. Les vannes quart de tour/rotatives ont une perte de charge très faible (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 distincts par rapport aux autres types de robinets, tels que :

  • Shutoff
  • 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 Y ou un robinet à soupape à angle)
  • Nécessitent une plus grande force pour asseoir la vanne (les actionneurs automatiques peuvent fournir une assistance)
  • Trop lent pour un arrêt rapide

Choisir un robinet à soupape pour votre application

Les robinets à soupape sont souvent utilisés dans les industries pétrochimiques

Figure 5 : Les robinets à soupape sont souvent utilisés dans les industries pétrochimiques

Les robinets à soupape constituent la solution idéale dans les applications où vous devez moduler le débit, mais où vous ne vous préoccupez pas 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 de la chaudière et de la vapeur principale
  • Système d'huile de lubrification de la turbine
  • Applications de drainage et de garniture dans les systèmes de sprinklers (pas en tant que vannes de contrôle dans les systèmes de sprinklers, où la pression est élevée)

Critères de sélection

Les critères nécessaires au choix du robinet à soupape adapté à votre application sont les suivants :

  • Choisissez la conception qui répond à vos besoins en matière de perte de charge et de configuration du système.
  • Sélectionnez le matériau du boîtier approprié pour le coordonner avec votre système.
  • Choisissez les bons matériaux d'étanchéité et les bonnes connexions.
  • Sélectionnez un actionneur manuel ou automatisé pour répondre à vos besoins.
  • Assurer un dimensionnement approprié 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 affecte la fermeture ou régule le 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 vanne à l'aide d'une tige filetée fixée à un volant, on ouvre la vanne, permettant ainsi l'écoulement du fluide.

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 du débit.

Un robinet à soupape peut-il être automatisé ?

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

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