Soupapes de décompression - Leur fonctionnement

Soupapes de décompression - Leur fonctionnement

Soupape de sécurité

Figure 1 : Soupape de sûreté

Les soupapes de décharge sont essentielles pour maintenir les systèmes hydrauliques et pneumatiques en dessous de la pression de consigne. Selon l'installation, ils peuvent soit :

  • Réduire la pression aval à un niveau constant dès qu'elle dépasse un seuil.
  • Maintenir des pressions soutenues en aval ou en amont de la vanne
  • Réduire les pics ou les impulsions de pression pour protéger les équipements en aval.

Cet article est une présentation complète des limiteurs de pression qui explique leur conception, leur principe de fonctionnement, leurs applications et la manière de les installer dans un système.

Table des matières

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Conception et fonctionnement des soupapes de sûreté

La conception et le fonctionnement des soupapes de sûreté varient selon les différents types de soupapes. Cette section couvre la conception et le fonctionnement des soupapes de sûreté suivantes :

  • Soupape de décharge à action directe
  • Soupape de décharge équilibrée et pilotée
  • Soupape de sécurité télécommandée
  • Soupape de décharge électrique

Soupape de décharge à action directe

Comme le montre la figure 2 (à gauche), une soupape de pression à action directe comporte une entrée, une sortie et un mécanisme de contrôle du débit (c'est-à-dire un clapet, une bille ou un diaphragme) soutenu par un ressort réglable. Les soupapes de décharge ont deux conceptions pour le réglage du ressort : externe et interne. Une conception externe permet de régler le ressort à l'aide d'un bouton ou d'une poignée qui se boulonne sur l'extérieur de la vanne. Une conception interne comporte un écrou ou une vis dans le boîtier de la vanne qui tourne dans un sens ou dans l'autre pour détendre ou raidir le ressort. La conception interne nécessite un démontage partiel de la valve pour ajuster la rigidité du ressort.

Une soupape de décharge à action directe limite l'augmentation de la pression dans un système au-delà d'une limite fixée. Le ressort (figure 2, repère A) de la valve, qui est réglable ou non, détermine la limite. Si la pression du fluide du système n'est pas assez élevée, elle n'ouvrira pas le mécanisme d'ouverture de la vanne (figure 2, repérée B), qui est généralement un disque ou un clapet.

Le mécanisme d'ouverture commence à s'ouvrir lorsque la pression du fluide atteint la pression de rupture de la vanne. La soupape de décharge évacue certains fluides dans l'air, dans le cas des compresseurs d'air, ou dans un réservoir, dans le cas des systèmes hydrauliques. Cela ralentit la vitesse à laquelle la pression s'accumule dans le système.

Enfin, lorsque la pression du système atteint la limite de pression fixée par la soupape de décharge, celle-ci est entièrement ouverte et tous les fluides sont évacués par la soupape. Cela arrête le fonctionnement de tous les composants en aval jusqu'à ce que la pression diminue suffisamment pour que la valve commence à se fermer. La différence entre la pression de rupture de la soupape et le réglage réel de la soupape de sûreté est généralement d'au moins 200 psi.

Schéma de la soupape de sûreté (à gauche). Schéma zoomé du mécanisme de la soupape (à droite) : ressort (A), disque ou clapet (B).

Figure 2 : Schéma de la soupape de sécurité (à gauche). Schéma zoomé du mécanisme de la valve (à droite) : ressort (A), disque ou clapet (B).

Soupape de décharge équilibrée et pilotée

Une soupape de sûreté équilibrée actionnée par un pilote possède une entrée, une sortie et deux clapets : le clapet principal et un clapet pilote boulonné. Les deux poppets sont soutenus par un ressort. Un ressort souple, non réglable, soutient le clapet principal, et un ressort réglable, beaucoup plus rigide, soutient le clapet pilote. Un trou pilote permet au fluide de s'écouler de l'entrée vers le dessus du clapet principal et vers le clapet pilote. De plus, le fluide s'écoule de l'entrée vers le dessous du clapet principal. Lorsque le clapet principal se soulève, le fluide du dessous s'écoule vers la sortie.

Comme le fluide se trouve au-dessus et au-dessous du clapet principal, et que le haut et le bas du clapet ont approximativement la même surface, la pression de chaque côté du clapet est égale. C'est ainsi que le ressort souple peut maintenir le clapet fermé contre les pressions élevées du système.

Le clapet pilote est un clapet à action directe qui détermine le réglage de la pression de la soupape de sûreté. Lorsque la pression du système augmente suffisamment pour faire craquer le clapet pilote, le fluide situé au-dessus du clapet principal peut s'écouler au-delà du clapet pilote vers la sortie. Cela provoque une chute de pression au-dessus du clapet principal, ce qui lui permet de s'ouvrir pour que le fluide situé en dessous puisse s'écouler vers la sortie de la valve.

L'avantage d'une soupape de sûreté à pilotage équilibré est que le dépassement de la pression (la différence entre les limites de pression d'ouverture et de réglage de la soupape) est beaucoup plus faible qu'avec une soupape de sûreté à action directe. Une commande de pression plus faible empêche l'accumulation inutile de chaleur et réduit la consommation d'énergie dans un système hydraulique.

Soupape de sécurité télécommandée

Une soupape de surpression télécommandée est identique à une soupape de surpression à pilote d'équilibre, à une différence près. Cette soupape de sûreté est dotée d'un évent qui se raccorde à une soupape de sûreté à action directe par un tuyau long et étroit. La soupape de sûreté à action directe est généralement située à une distance importante, sur la console d'un opérateur.

Dans un système, les médias empruntent toujours le chemin de moindre résistance. Ainsi, lorsqu'un opérateur règle la pression de la soupape de décharge à distance à une valeur inférieure à celle du clapet pilote boulonné, la soupape à distance prend le contrôle du réglage de la pression maximale du système. La commande revient au clapet pilote lorsque l'opérateur règle la pression de la soupape de décharge à distance au-dessus de celle du clapet pilote.

Soupape de décharge électrique

Un système de soupape de décharge électrique utilise une soupape de décharge télécommandée qui se connecte à plusieurs soupapes de décharge à action directe. Chaque soupape de sûreté à action directe est reliée à une électrovanne qui contrôle si le fluide peut ou non s'écouler vers la soupape de sûreté.

Les soupapes de sûreté à action directe ont des réglages de pression qui sont inférieurs à ceux de la soupape de sûreté principale. Par exemple, trois soupapes de sûreté à action directe peuvent avoir des réglages de pression de 1000, 2000 et 3000 psi respectivement. La soupape de décharge de la pression principale peut avoir un réglage de pression de 4000 psi. Lorsqu'un solénoïde se met en marche et s'ouvre, le fluide suit le chemin de moindre résistance et s'écoule vers la soupape de décharge dont le réglage est le plus bas. Cette configuration permet à un système de passer rapidement par plusieurs réglages de pression, par exemple une presse dans une usine de fabrication.

Applications des soupapes de sûreté

Éviter la cavitation

La cavitation se produit lorsque la pression dans un liquide chute rapidement en dessous de la pression de vapeur. Si une pompe centrifuge pompe contre un système fermé, la surpression doit être évacuée à l'intérieur du boîtier de la pompe. Cela provoque des zones de basse pression, pouvant entraîner une cavitation.

En s'ouvrant proportionnellement à l'augmentation de la pression, les soupapes de décharge contournent le boîtier. Cela permet d'évacuer lentement l'excès de pression. Et en évitant la cavitation, elle augmente la durée de vie de la pompe. Pour en savoir plus, lisez nos guides sur la cavitation et le flashing et la cavitation dans les pompes, les vannes et les tuyaux.

Circuits de refroidissement/chauffage

Les débits peuvent varier de manière significative avec des charges intermittentes ou pendant le démarrage ou l'arrêt. Les réactions des chaudières ou des réacteurs connectés peuvent entraîner une augmentation ou une diminution de la pression disproportionnée par rapport à l'apport généré par les équipements contrôlés par l'utilisateur (par exemple, les pompes et les échangeurs de chaleur). Les soupapes de sécurité permettent d'éviter les variations de pression inattendues dans les circuits de chauffage.

Systèmes avec des équipements sensibles

De même, dans les systèmes pneumatiques à composants multiples, une pression excessive peut endommager l'équipement. Une soupape de décharge peut éviter une défaillance prématurée de l'équipement et peut faire partie d'un plan de maintenance préventive.

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Différences entre les soupapes de surpression et les soupapes de sécurité

Les soupapes de surpression ont un fonctionnement continu et proportionnel (figure 3 étiquetée 1), alors que les soupapes de sécurité n'en ont pas (figure 3 étiquetée 2). Les soupapes de sûreté sont un élément opérationnel des systèmes de fluides plutôt qu'un simple dispositif de sécurité. En fonctionnement normal, il est normal d'avoir une soupape de décharge de trop-plein/pression ouverte en permanence pour aider le système à se rééquilibrer vers des conditions de travail normales.

Les soupapes de sécurité, quant à elles, doivent éliminer toute énergie susceptible de pénétrer dans un système afin d'éviter une défaillance de celui-ci. Après le soulèvement initial du disque, la zone sur laquelle la pression agit s'agrandit, et la force sur le ressort augmente de manière significative. La force importante provoque la caractéristique d'éclatement de la soupape de sécurité.

Plutôt que de se décharger dans une zone de basse pression du circuit, les soupapes de sécurité se déchargent dans l'atmosphère et continuent de le faire même peu de temps après que la pression du système soit revenue à la pression de seuil. Étant donné que les soupapes de sécurité protègent les appareils sous pression, elles n'arrêtent pas de décharger avant d'atteindre une situation sûre.

La différence de fonctionnement entre une soupape de sûreté et une soupape de sécurité est observable dans leurs caractéristiques de pression respectives. Ces vannes alternent entre l'ouverture complète (figure 3 étiquetée A) et la fermeture complète (figure 3 étiquetée B).

  • Soufflage : La purge d'une soupape de sûreté (figure 3, repérée F) est beaucoup plus étroite que celle d'une soupape de sécurité (figure 3, repérée G). La différence entre la pression de réglage et la pression de fermeture est donc beaucoup plus faible, ce qui signifie que la fermeture est plus rapide.
  • Rétablir la pression : La pression de réarmement (Figure 3 étiquetée C), également appelée pression de fermeture, est la pression à laquelle la soupape se ferme. Les soupapes de sûreté se ferment proportionnellement, à proximité de la pression de consigne (figure 3, repère D), alors que les soupapes de sécurité se ferment plus loin de la pression de consigne.
  • Pression de décharge maximale : Les soupapes de sûreté commencent à se fermer près de la pression de décharge maximale (figure 3 étiquetée E), alors que les soupapes de sécurité se ferment beaucoup plus loin de la pression de décharge maximale.
  • Mijotage : Les soupapes de sécurité ont une large valeur d'ébullition (figure 3, repérée H), qui correspond à l'accumulation avant l'ouverture de la soupape.
Débit de décharge pour les soupapes de sûreté (1) et les soupapes de sécurité (2). Ces soupapes alternent entre l'ouverture complète (A) et la fermeture complète (B). D'autres caractéristiques importantes sont la pression de réarmement (C), la pression de réglage (D), la pression de décharge maximale (E), la purge (F et G) et la valeur d'ébullition (H).

Figure 3 : Débit de décharge pour les soupapes de décharge (1) et les soupapes de sécurité (2). Ces vannes alternent entre l'ouverture complète (A) et la fermeture complète (B). D'autres caractéristiques importantes sont la pression de réarmement (C), la pression de réglage (D), la pression de décharge maximale (E), la purge (F et G) et la valeur de mijotage (H).

Critères de sélection

Lors du choix d'une soupape de sécurité, il faut tenir compte des critères suivants. Pour plus d'informations, lisez notre guide sur le choix des soupapes de sûreté et de sécurité.

  • Pression de fonctionnement minimale/maximale : Assurez-vous que la soupape de sécurité est compatible avec les limites de pression du système.
  • Matériaux du corps et des joints : Assurez-vous que les composants de la soupape de sûreté sont compatibles avec le fluide.
  • Débit de décharge : Veillez à ce que la soupape de décharge soit de taille adéquate pour assurer une décharge suffisante en cas de scénario extrême.
  • Ajustable/non ajustable : Une soupape de décharge réglable est avantageuse si la pression de consigne souhaitée est inconnue ou peut changer pendant la durée de vie de la soupape.

Installation de la soupape de sécurité

Les soupapes de sûreté fonctionnent mieux en aval des zones à haute pression d'un système. Une application courante est l'installation d'une soupape de sûreté près du refoulement d'une pompe. Pour plus d'informations, lisez notre guide sur l'installation des soupapes de sûreté et de sécurité.

FAQ

Une soupape de surpression réduit-elle le débit ?

Oui, mais cela ne se produit que lorsque la pression dépasse la pression de consigne. En fonctionnement normal, les pressions ne doivent pas dépasser le niveau défini, et la soupape de sécurité reste fermée.

Que devez-vous rechercher lors du choix d'une soupape de sécurité ?

Débit maximal, pression maximale, et nature du fluide. Les fluides corrosifs peuvent nécessiter des joints, un diaphragme ou un corps différents. Assurez-vous que la vanne dispose des homologations nécessaires pour votre application.

Les soupapes de décharge peuvent-elles prévenir les coups de bélier ?

Oui, certains modèles le peuvent. Pour éviter les coups de bélier, il faut utiliser un modèle spécifique capable de supporter à la fois le débit élevé et les différentiels de pression courants dans un scénario de coup de bélier.

Y a-t-il des inconvénients à utiliser des soupapes de surpression/débordement dans une dérivation ?

Le principal inconvénient est la perte d'énergie. Tout ce qui est pompé par la vanne n'est par définition pas utilisé en aval. Pour de courtes périodes, ce n'est généralement pas un problème.

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