Vannes papillon - Leur fonctionnement

Les vannes papillon sont des vannes quart de tour qui sont populaires pour les services tout ou rien ou modulants. Ils sont légers, ont une faible empreinte d'installation, 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 vanne 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 à la direction du flux. Apprenez-en davantage sur le fonctionnement des vannes papillon et sur le moment où il convient de les utiliser pour différentes applications.

Table des matières

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

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, repère A) d'une vanne papillon est aligné avec le centre de la tuyauterie raccordée et la tige (figure 2, repère B) est reliée à un actionneur ou à une poignée (figure 2, repère C) 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 de manière étanche sur le siège du robinet (figure 2 repérée D). Un joint torique (Figure 2 étiqueté E) 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 de modulation 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 de 1/3 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, ce qui représente une augmentation de 70 %, la rotation suivante de 10 degrés fera passer le débit de 170 à 289^m3/h, ce qui représente également une augmentation de 70 %. Pour les vannes papillon avancées, cette relation est possible de 20 à 90 degrés (complètement ouvertes).

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

Types de vannes papillon

Les vannes papillon existent en différents modèles, chacun servant des applications et des plages de pression spécifiques. Les vannes papillon peuvent être classées en fonction de leur conception de fermeture du disque, de leur conception de connexion et de leur méthode d'actionnement.

Conception de la fermeture du disque

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

Concentrique

La conception la plus élémentaire d'une vanne papillon est une vanne papillon centrique ou concentrique. La tige passe par l'axe du disque, et le siège est la périphérie du diamètre intérieur du corps de la vanne (figure 4 à gauche). Cette conception de vanne sans décalage est connue sous le nom de siège élastique, 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 gammes de basse pression.

Excentrique

La tige d'une vanne papillon excentrique ne passe pas par l'axe du disque mais derrière (dans le sens inverse du débit), comme le montre la figure 4 (à droite). La tige d'une vanne papillon à décalage unique se trouve directement derrière l'axe du disque. Cette conception réduit la quantité de contact entre le disque et le joint avant la fermeture complète de la vanne. Un contact moindre améliore la durée de vie de la vanne.

Dans une vanne papillon à double excentration ou à double excentration, la tige se trouve derrière l'axe du disque avec un décalage supplémentaire sur un côté (figure 5). La conception à double excentricité de la tige réduit le contact entre le disque et le siège à 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 vanne. Une vanne papillon à triple excentration est plus efficace et s'use moins. Les vannes à triple excentration sont souvent constituées de sièges métalliques pour une fermeture étanche aux bulles. Grâce aux sièges métalliques, les vannes papillon conviennent à des plages de températures plus élevées.

Les vannes papillon haute performance utilisent la pression de la canalisation pour augmenter l'étanchéité entre le siège et le bord du disque. Ces vannes papillon ont une pression nominale plus élevée et sont moins sujettes à l'usure.

Conception de la connexion

Les vannes papillon peuvent se raccorder à un système de tuyauterie de différentes manières. Les raccordements les plus courants sont ceux de type wafer, de type lug et de type flasque.

Style Wafer

La version la plus rentable, une vanne papillon de type wafer, est prise en sandwich entre deux brides de tuyaux. De longs boulons qui traversent tout le corps du robinet relient les brides des tuyaux. Ce type de raccordement convient pour assurer l'étanchéité contre les pressions différentielles bidirectionnelles et empêcher le reflux dans les systèmes conçus pour un écoulement universel. Certaines versions de cette vanne ont des trous de bride à l'extérieur du corps de la vanne (Figure 6 étiquetée A). Les joints d'étanchéité, les joints toriques et les faces plates des deux côtés de la vanne se combinent pour assurer une étanchéité efficace.

Version à ergots

La vanne papillon à oreilles est dotée d'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 à chaque côté des inserts de boulons. Cette conception permet la déconnexion d'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 à wafer, 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 complètement ouvert à complètement fermé. Vous trouverez ci-dessous une brève description des différents types de méthodes d'actionnement.

Vanne papillon manuelle

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

• Levier à main : Un levier manuel est courant pour les petites vannes papillon. La poignée permet de verrouiller la vanne en position ouverte, partiellement ouverte ou fermée. Un exemple peut être vu dans la figure 4 (à gauche). Les vannes papillon à tige allongée ont des tiges longues qui permettent de commander la vanne à distance lorsqu'elle est enterrée 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 actionnées en sens inverse) et peuvent être équipées d'indicateurs de position. Un exemple peut être vu dans la figure 4 (à droite).

Vanne papillon actionnée

Les actionneurs motorisés sont une méthode fiable pour contrôler les vannes papillon à distance. Les actionneurs de vannes papillon permettent également de faire fonctionner rapidement des vannes plus grandes. Ces actionneurs peuvent être conçus pour une ouverture par défaut (rester ouvert en cas de défaillance de l'actionneur), une fermeture par défaut (rester fermé 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 : Nécessite de l'air comprimé pour déplacer un piston ou un diaphragme afin d'ouvrir/fermer la valve, comme le montre la figure 8. En savoir plus sur les actionneurs pneumatiques.
• Vanne papillon hydraulique : Nécessite une pression hydraulique pour déplacer un piston ou un diaphragme afin d'ouvrir/fermer la valve.

Normes ISO pour les vannes papillon actionnées

• 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 moteurs des actionneurs à fraction de tour nécessaires pour les fixer aux composants moteurs, ainsi que les valeurs de référence des couples pour les interfaces et les accouplements. Pour plus d'informations sur la norme ISO 5211, veuillez lire notre article sur la norme ISO 5211.
• ISO 5752 : La norme ISO 5752 relative aux 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 relatives à la conception, aux matériaux (par exemple, acier, fonte, fonte ductile, alliage de cuivre), aux pressions/températures nominales et aux essais pour les vannes papillon à corps métallique destinées à être utilisées dans des systèmes de tuyauterie à brides ou à soudure bout à bout.
• ISO 16136 : L'ISO 16136 spécifie les exigences relatives à la conception, aux caractéristiques fonctionnelles et à la fabrication des vannes papillon en matériaux thermoplastiques destinées au service d'isolation 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 a deux possibilités de câblage :

• Actionneurs de commande à 2 points : Les trois fils des actionneurs de commande à 2 points sont pour 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 dans la dernière position si l'ensemble de l'unité n'est pas alimenté en électricité.
• Actionneurs de commande à 3 points : Les quatre fils des actionneurs de commande à 3 points sont pour le +, le - et 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 (partiellement ouverts). Les deux fils de commande ne doivent pas être actionnés en même temps, sinon l'actionneur peut être endommagé.

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 couper le débit d'eau. Ces vannes sont disponibles dans de très grandes dimensions et conviennent au traitement des boues et des liquides contenant des quantités relativement importantes de solides à basse pression. Les vannes papillon en acier inoxydable sont utilisées dans les applications environnementales corrosives et marines car ce matériau est très durable et résistant à la corrosion.

Vanne à bille et vanne papillon

En général, une vanne papillon présentant des caractéristiques similaires à celles d'une vanne à boisseau sphérique est moins chère, plus facile à installer et présente un encombrement plus faible. Cependant, en raison du disque des vannes papillon, elles ne peuvent pas être raclées à des fins de nettoyage. Les vannes à bille sont avantageuses pour les applications à haute pression et de petit diamètre, car elles sont mieux adaptées aux différences de pression plus élevées et provoquent une chute de pression minimale sur la vanne. 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 chers à entretenir. Pour les petits diamètres de tuyaux, un robinet à bille est généralement mieux adapté au couple et au coût. Les avantages en termes de couple et de coût des vannes papillon apparaissent à partir du DN 50. Lisez notre article sur les vannes à bille et les vannes papillon pour une comparaison détaillée des deux types de vannes.

FAQs

À quoi sert une vanne papillon ?

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

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 tout ou rien et le contrôle modulé du fluide.