Qu'est-ce qu'une vanne papillon ?

Les vannes papillon sont des vannes quart de tour très appréciées pour les services tout ou rien ou modulants. Ils sont légers, ont un faible encombrement, un coût réduit, un fonctionnement rapide et sont disponibles avec des orifices de grande taille. Le "papillon" est un disque relié à une tige. Lorsque la valve s'ouvre, le disque tourne pour laisser passer le fluide. Il se ferme lorsque la tige fait tourner le disque d'un quart de tour jusqu'à une position perpendiculaire au sens de l'écoulement. Dans cet article, vous apprendrez comment fonctionne une vanne papillon, quels sont les différents types de vannes papillon, quelles options d'actionnement sont disponibles pour ces vannes, et plus encore.

Table des matières

• Principe de fonctionnement
• Types de vannes papillon
• Méthode d'actionnement
• Câblage de la vanne papillon
• Applications
• Vanne à bille ou vanne papillon
• FAQ

Principe de fonctionnement

Les vannes papillon ont une construction relativement simple. La figure 2 montre les principaux composants d'une vanne papillon, à savoir le corps, le joint, le disque et la tige. Le disque (Figure 2 étiquetée E) d'une vanne papillon s'aligne sur le centre de la tuyauterie connectée et la tige (Figure 2 étiquetée B) se connecte à un actionneur ou à une poignée à l'extérieur de la vanne. En position fermée, le disque est perpendiculaire à l'écoulement, comme le montre la figure 2, et s'appuie sur le siège de la soupape (figure 2 étiquetée D). Un joint torique (figure 2 étiquetée C) dans la garniture de la tige assure l'étanchéité le long de la tige. Lorsque l'actionneur ou la poignée fait tourner la tige de la vanne papillon de 90°, le disque tourne également de 90° pour devenir parallèle à l'écoulement. La rotation partielle permet d'étrangler le débit ou de le rendre proportionnel.

Les vannes papillon utilisées pour les services modulants peuvent avoir une caractéristique linéaire ou à pourcentage égal.

• Linéaire : Lorsque le disque s'ouvre à X%, le débit est à X% du débit maximum. Par exemple, si le disque est ouvert d'un tiers de tour (30 degrés), le débit sera de 33,3 % du maximum.
• Égale : Il existe une relation logarithmique entre la course du disque et le débit. Par exemple, si le disque tourne de 10 degrés et que le débit passe de 100 à 170^m3/h, soit une augmentation de 70 %, la rotation suivante de 10 degrés fera passer le débit de 170 à 289^m3/h, soit également une augmentation de 70 %. Pour les vannes papillon avancées, cette relation est possible entre 20 et 90 degrés (ouverture complète).

Le symbole d'une vanne papillon est illustré ci-dessous :

Types de vannes papillon

Les vannes papillon se présentent sous différentes formes, chacune répondant à des applications et à des plages de pression spécifiques. Les vannes papillon peuvent être classées en fonction de la conception de la fermeture du disque, de la conception du raccordement et de la méthode d'actionnement.

Fermeture à disque

Les vannes papillon peuvent être concentriques ou excentriques en fonction de la position de la tige par rapport à l'axe du disque et de l'angle de surface du siège de la vanne.

Concentric

La conception la plus basique d'une vanne papillon est une vanne papillon centrée ou concentrique. La tige passe par l'axe du disque et le siège est la périphérie du diamètre intérieur du corps du robinet (figure 4 à gauche). Cette conception de soupape à décalage zéro est connue sous le nom de siège résilient car l'efficacité de l'étanchéité repose sur la flexibilité du siège en caoutchouc. Lors de la fermeture, le disque entre d'abord en contact avec le siège à environ 85° au cours d'une rotation de 90°. Les vannes papillon concentriques conviennent aux plages de basse pression.

Excentrique

La tige d'une vanne papillon excentrée ne passe pas par l'axe du disque mais derrière celui-ci (dans le sens inverse du débit), comme le montre la figure 4 (à droite). La tige d'une vanne papillon à simple excentration se trouve directement derrière l'axe du disque. Cette conception réduit le contact du disque avec le joint avant que la vanne ne se ferme complètement. La réduction des contacts améliore la durée de vie de la vanne.

Dans une vanne papillon à double excentration ou doublement excentrée, la tige se trouve derrière l'axe du disque avec un décalage supplémentaire d'un côté (figure 5). La conception à double excentration de la tige réduit le contact entre le disque et le siège aux derniers 1-3° de la fermeture du disque.

Une vanne papillon à triple excentration (TOV ou TOBV) convient aux applications critiques et a une conception similaire à celle d'une vanne papillon à double excentration. Le troisième décalage est l'axe de contact entre le disque et le siège. La surface du siège a une forme conique qui, associée à la même forme au niveau de l'arête du disque, permet un contact minimal avant la fermeture complète de la soupape. Une vanne papillon à triple excentration est plus efficace et s'use moins. Les vannes à triple excentration sont souvent fabriquées avec des sièges métalliques pour une fermeture étanche aux bulles. Les sièges métalliques permettent aux vannes papillon d'être utilisées à des températures plus élevées.

Les vannes papillon à haute performance utilisent la pression dans la canalisation pour augmenter l'étanchéité entre le siège et le bord du disque. Ces vannes papillon ont des pressions nominales plus élevées et sont moins sujettes à l'usure.

Conception de la connexion

Les vannes papillon peuvent être raccordées à un système de tuyauterie de différentes manières. Les connexions les plus courantes sont de type wafer, de type lug et de type flange.

Wafer-style

La version la plus rentable, une vanne papillon de type wafer, se place entre deux brides de tuyau. De longs boulons traversant tout le corps du robinet relient les brides des tuyaux. Ce type de raccordement convient pour assurer l'étanchéité aux pressions différentielles bidirectionnelles et empêcher les retours d'eau dans les systèmes conçus pour un débit universel. Certaines versions de ce robinet ont des trous de bride à l'extérieur du corps du robinet (Figure 6 étiquetée A). Les joints, les joints toriques et les faces planes des deux côtés de la vanne se combinent pour assurer une étanchéité efficace.

Lug-style

La vanne papillon à oreilles possède des inserts filetés (oreilles) à l'extérieur du corps de la vanne (Figure 6 étiquetée C). Deux jeux de boulons, sans écrous, relient les brides des tuyaux de chaque côté des inserts de boulons. Cette conception permet de déconnecter un côté sans affecter la fonction de l'autre pour un service en cul-de-sac. Les vannes papillon à oreilles utilisées dans les services en cul-de-sac ont généralement une pression nominale inférieure. Et contrairement aux vannes papillon, les vannes à oreilles supportent le poids de la tuyauterie à travers le corps de la vanne.

Méthode d'actionnement

Les vannes papillon peuvent être actionnées manuellement par des poignées et des engrenages ou automatiquement par des actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques. Ces dispositifs permettent une rotation précise du disque dans des positions allant de l'ouverture totale à la fermeture totale. Une brève description des différents types de méthodes d'actionnement est présentée ci-dessous.

Vanne papillon manuelle

Les vannes papillon à actionnement manuel sont peu coûteuses et faciles à utiliser. Les deux méthodes les plus courantes sont les suivantes :

• Levier à main : Un levier manuel est courant pour les petits robinets à papillon. La poignée permet de verrouiller la vanne en position ouverte, partiellement ouverte ou fermée. La figure 4 (à gauche) en donne un exemple. Les vannes papillon à tige allongée sont dotées de longues tiges qui permettent d'actionner la vanne à distance lorsqu'elle se trouve sous terre ou dans une fosse.
• Le matériel : Ils sont conçus pour des vannes papillon légèrement plus grandes et utilisent une boîte de vitesses pour augmenter le couple au détriment de la vitesse d'ouverture/fermeture. Les vannes à engrenages sont également autobloquantes (elles ne peuvent pas être entraînées en retour) et peuvent être équipées d'indicateurs de position. La figure 4 (à droite) en donne un exemple.

Vanne papillon actionnée

Les actionneurs motorisés constituent une méthode fiable pour contrôler les vannes papillon à distance. Les actionneurs de vannes papillon permettent également d'actionner rapidement des vannes de plus grande taille. Ces actionneurs peuvent être conçus pour s'ouvrir par défaut (rester ouverts en cas de défaillance de l'actionneur), se fermer par défaut (rester fermés en cas de défaillance de l'actionneur), et sont souvent dotés d'une méthode d'actionnement manuel en cas de défaillance, comme le montre la figure 8. Les trois types d'actionneurs automatiques sont énumérés ci-dessous :

• Vanne papillon électrique (motorisée) : Utilise un moteur électrique pour faire tourner la tige de la vanne papillon. En savoir plus sur les actionneurs électriques.
• Vanne papillon pneumatique : L'air comprimé est nécessaire pour déplacer un piston ou un diaphragme afin d'ouvrir ou de fermer la vanne, comme le montre la figure 8. En savoir plus sur les actionneurs pneumatiques.
• Vanne papillon hydraulique : La pression hydraulique est nécessaire pour déplacer un piston ou un diaphragme afin d'ouvrir ou de fermer la vanne.

Normes ISO pour les robinets à papillon actionnés

• ISO 5211 : L'ISO 5211 est une norme internationale qui spécifie les exigences relatives à la fixation des actionneurs à fraction de tour (avec ou sans réducteur) sur les vannes industrielles. L'ISO 5211 spécifie les dimensions des brides et des composants d'entraînement des actionneurs à fraction de tour nécessaires pour les fixer aux composants entraînés, ainsi que les valeurs de référence des couples pour les interfaces et les accouplements. Pour plus d'informations sur l'ISO 5211, veuillez lire notre article sur l 'ISO 5211.
• ISO 5752 : La norme ISO 5752 pour les vannes papillon spécifie la série de base des dimensions face-à-face et centre-à-face pour les vannes papillon métalliques à deux voies.
• ISO 10631 : L'ISO 10631 spécifie les exigences générales en matière de conception, de matériaux (acier, fonte, fonte ductile, alliage de cuivre), de pression/température nominale et d'essais pour les robinets à papillon à corps métallique destinés à être utilisés dans des systèmes de tuyauterie à brides ou à soudure bout à bout.
• ISO 16136 : La norme ISO 16136 spécifie les exigences relatives à la conception, aux caractéristiques fonctionnelles et à la fabrication des vannes papillon en matériaux thermoplastiques destinées aux services d'isolement et de contrôle, à leur raccordement au système de tuyauterie, aux matériaux du corps et à leur pression/température nominale entre - 40 °C et + 120 °C, pour une durée de vie de 25 ans, et spécifie également leurs essais.

Câblage de la vanne papillon

Une vanne papillon actionnée électriquement présente deux possibilités de câblage :

• Actionneurs de commande à 2 points : Les trois fils des actionneurs de commande à 2 points sont le +, le - et un fil de commande. Le fil de commande doit être alimenté pour ouvrir la vanne et non alimenté pour la fermer, ou vice versa. Cette fonction est particulièrement utile si la vanne est située à distance. La vanne reste en dernière position si l'ensemble de l'unité n'est pas alimenté en électricité.
• Actionneurs de contrôle à 3 points : Les quatre fils des actionneurs de commande à 3 points sont destinés au +, au - et aux deux fils de commande. Les deux signaux de commande peuvent fermer ou ouvrir la vanne en fonction de celui qui est alimenté. La commande à 3 points permet des arrêts intermédiaires (ouverture partielle). Les deux fils de commande ne doivent pas être actionnés en même temps, sous peine d'endommager l'actionneur.

Applications

Les vannes papillon sont utilisées dans diverses industries et applications telles que l'industrie pharmaceutique, chimique et pétrolière, l'industrie alimentaire, l'approvisionnement en eau, le traitement des eaux usées, la protection contre les incendies, l'approvisionnement en gaz, la manutention des carburants et les installations sanitaires. Les vannes papillon pour l'eau sont utilisées comme vannes de contrôle dans les canalisations pour arrêter le débit d'eau. Ces vannes sont disponibles dans d'énormes dimensions et conviennent à la manipulation de boues et de liquides contenant des quantités relativement importantes de solides à des pressions faibles. Les vannes papillon en acier inoxydable sont utilisées dans les applications corrosives et marines, car ce matériau est très durable et résistant à la corrosion.

Vanne à bille ou vanne papillon

Généralement, un robinet à papillon présentant des caractéristiques similaires à celles d'un robinet à tournant sphérique est moins cher, plus facile à installer et moins encombrant. Toutefois, en raison de la présence d'un disque dans les vannes papillon, il n'est pas possible de les racler à des fins de nettoyage. Les robinets à tournant sphérique sont avantageux pour les applications à haute pression et à petit diamètre, car ils sont mieux adaptés à des différences de pression plus élevées et entraînent une perte de charge minimale sur le robinet. Les vannes papillon ont une conception relativement simple, avec moins de pièces mobiles et moins de poches/pièges pour les fluides. Ils sont donc plus faciles à réparer et moins coûteux à entretenir. Pour les tuyaux de petit diamètre, un robinet à boisseau sphérique est généralement mieux adapté au couple et au coût. Les avantages des vannes papillon en termes de couple et de coût apparaissent à partir du DN 50. Lisez notre article sur les robinets à boisseau sphérique et les robinets à papillon pour une comparaison détaillée des deux types de robinets.

FAQ

À quoi sert une vanne papillon ?

Les vannes papillon sont utilisées pour le contrôle des fluides tout ou rien ou modulé.

Peut-on utiliser une vanne papillon pour le gaz ?

Oui, les vannes papillon peuvent être utilisées pour les liquides et les gaz, mais pas pour les solides en vrac.

Quel est l'avantage d'une vanne papillon ?

Les vannes papillon sont légères et peuvent être utilisées à la fois pour le contrôle des fluides tout ou rien et pour le contrôle modulé.