Aperçu des vannes à bille

Une vanne à bille est un dispositif d'arrêt qui régule le flux d'un liquide ou d'un gaz à l'aide d'une bille rotative avec un trou. En tournant la bille d'un quart de tour (90 degrés) autour de son axe, la vanne s'ouvre ou se ferme, permettant au milieu de passer ou le bloquant. Les vannes à bille sont connues pour leur longue durée de vie et offrent un joint fiable tout au long de leur utilisation, même lorsqu'elles restent inutilisées pendant de longues périodes. Elles sont plus résistantes aux milieux contaminés que la plupart des autres types de vannes.

Certaines versions de vannes à bille sont également utilisées comme vannes de régulation. Cette utilisation est moins courante en raison de la précision relativement limitée dans le contrôle du débit par rapport à d'autres types de vannes de régulation. Cependant, les vannes à bille présentent certains avantages à cet égard. Par exemple, elles assurent un joint fiable même si le milieu est sale. La figure 1 illustre une vue en coupe d'une vanne à bille.

Découvrez d'autres types de vannes dans notre article sur les principes fondamentaux des vannes.

Table des matières

• Principe de fonctionnement et composants de la vanne à bille
• Vannes à bille automatiques
• Matériaux de corps de vanne à bille
• Joints et joints toriques
• Vannes à bille haute pression
• Types de raccordement des vannes à bille
• Approbations
• FAQs

Principe de fonctionnement et composants de la vanne à bille

Il est important de connaître les cinq principales pièces de la vanne à bille pour comprendre le principe de fonctionnement d'une vanne à bille. Le schéma de la vanne à bille à la figure 2 montre ces cinq composants principaux.

• Tige de vanne (A) : La tige de vanne relie l'actionneur (par exemple, poignée ou actionneur (électrique ou pneumatique)) à la bille.
• Joints toriques (B) : Joints toriques sur le siège de la vanne aident à prévenir les fuites.
• Corps (C) : Le corps supporte tous les composants internes de la vanne et les protège des conditions d'application et environnementales.
• Bille (D) : La bille a un alésage creux à travers lequel le fluide peut s'écouler lorsque la vanne est ouverte.
• Siège (E) : Le siège supporte et scelle le composant bille.

Lorsque la tige de la vanne est tournée d'un quart de tour, l'alésage est soit ouvert au débit permettant au fluide de s'écouler, soit fermé pour empêcher l'écoulement du fluide. La fonction de circuit de la vanne à bille, l'assemblage du corps, la conception de la bille et les types d'opération influencent tous son fonctionnement et sont discutés ci-dessous.

Les vannes à bille sont plus populaires en tant que vannes d'arrêt que, par exemple, les vannes à guillotine. Pour une comparaison complète, lisez notre article vanne à guillotine vs. vanne à bille.

Fonction du circuit

La vanne peut avoir deux, trois ou même quatre ports (2 voies, 3 voies ou 4 voies). La grande majorité des vannes à bille sont à 2 voies et sont manuellement actionnées avec un levier. Le levier est aligné avec le tuyau lorsque la vanne est ouverte. En position fermée, la poignée est perpendiculaire au tuyau. La direction du flux de la vanne à bille est simplement de l'entrée à la sortie pour une vanne à 2 voies. Les vannes à bille manuelles peuvent être rapidement fermées et il y a donc un risque de coup de bélier avec des médias à écoulement rapide. Certaines vannes à bille sont équipées d'une transmission. Les vannes à 3 voies ont un alésage en forme de L ou de T, ce qui affecte la fonction du circuit (direction du flux). Cela peut être vu dans la Figure 3. En conséquence, diverses fonctions de circuit peuvent être réalisées, telles que la distribution ou le mélange des flux. Une vanne à bille à 90 degrés a deux ports qui sont positionnés à un angle de 90 degrés.

Assemblage du boîtier

L'assemblage du boîtier de la vanne peut être divisé en trois conceptions couramment utilisées : boîtiers en une pièce, en deux pièces et en trois pièces. La différence réside dans la manière dont la vanne est assemblée et cela affecte les possibilités de maintenance ou de réparation. Le fonctionnement des vannes est le même dans chaque version.

• Une pièce : C'est la variante la moins chère. Les deux parties qui entourent la bille sont pressées ou soudées. Les vannes ne peuvent pas être ouvertes pour le nettoyage ou la maintenance. Ce type est généralement utilisé pour des applications peu exigeantes.
• Deux pièces : Les vannes en deux pièces peuvent être démontées pour le nettoyage, l'entretien et l'inspection. Souvent, les pièces sont connectées via une connexion filetée. La vanne doit être complètement retirée du tuyau pour séparer les deux parties.
• Trois pièces : Les vannes plus coûteuses ont souvent trois pièces. Les pièces sont généralement serrées ensemble par des connexions boulonnées. L'avantage de cette version est que la vanne peut être entretenue sans retirer toute la vanne de la canalisation.

Lisez notre article sur les vannes à bille 1, 2, 3 pièces pour plus de détails sur la construction et la conception de chaque type.

Vannes à bille forgées

Les vannes à bille forgées sont créées en façonnant les alliages et les métaux alors qu'ils sont encore à l'état solide. Les métaux et les alliages sont pliés par chauffage ou avec des outils industriels de grande taille qui appliquent des forces de compression pour plier les matériaux. Les vannes à bille forgées sont mieux adaptées aux applications industrielles nécessitant des températures élevées, des pressions et d'autres conditions sévères. Des matériaux comme le laiton et l'acier inoxydable peuvent être utilisés pour fabriquer des vannes à bille forgées. Pendant le processus de fabrication, le métal (ou l'alliage) est chauffé, comprimé, plié et façonné selon la conception de la vanne à bille à l'aide d'une machine de forgeage par matrice.

La matrice aide à mouler le métal en une forme spécifique, tandis que la machine applique une pression suffisante pour forcer le métal à prendre la forme appropriée. Pour les vannes à bille de plus grande taille, il est nécessaire de souder différents composants ensemble. Les vannes peuvent également être revêtues de revêtements spécialisés en fonction des besoins spécifiques.

Avantages des vannes à bille forgées

• Les vannes à bille forgées sont solides et durables et peuvent être utilisées dans des situations particulièrement exigeantes impliquant des températures et des pressions élevées.
• Le processus de forge réduit la susceptibilité de la vanne à bille à des problèmes tels que la porosité, les fissures et le rétrécissement.
• Les vannes à bille forgées peuvent s'adapter très rapidement aux changements de température ; par conséquent, ces vannes sont adaptées à une utilisation dans plusieurs environnements.
• Besoins de maintenance réduits.

Conception de la bille

Le design le plus courant est le "design de bille flottante". La bille est suspendue dans le fluide et maintenue en place par deux anneaux d'étanchéité. Certaines vannes de haute qualité ont une conception de bille à tourillon. La bille est supportée en haut et en bas pour réduire la charge sur les sièges de la vanne.

• Flottante : La majorité des vannes à bille ont une bille flottante. La bille est supportée par les sièges de la vanne.
• Tourillon : Les vannes de grand diamètre et à haute pression de fonctionnement (par exemple DN > 100 mm et 30 bar), intègrent souvent un support de bille dans leur conception. Plus précisément, la bille est supportée en bas et en haut pour réduire la charge sur les anneaux de siège. Le couple de fonctionnement est généralement plus faible pour les vannes à tourillon.

Le trou à travers la bille peut avoir différents profils tels qu'un alésage complet, un alésage réduit ou en forme de V.

• Alésage réduit : La plupart des vannes à bille ont un alésage réduit. En conséquence, la vanne introduit des pertes par friction dans le système. Ces pertes restent relativement faibles par rapport à d'autres types de vannes. Les vannes à bille monobloc sont presque toujours à alésage réduit.
• Alésage complet : Les vannes à alésage complet ont le même diamètre d'alésage que le tuyau. L'avantage est qu'il n'y a pas de pertes par friction supplémentaires et que le système est mécaniquement plus facile à nettoyer (nettoyage par raclage). L'inconvénient est que la bille et le boîtier sont plus grands qu'une vanne quart de tour standard à alésage réduit. Le coût est donc légèrement plus élevé, et pour de nombreuses applications, cela n'est pas nécessaire. Elles sont également appelées vannes à bille à passage intégral.
• En forme de V : Le trou dans la bille ou le siège de la vanne a un profil en forme de 'V'. En conséquence, le débit souhaité peut être contrôlé plus précisément en tournant la bille. En optimisant le profil, une caractéristique de débit linéaire peut être approchée.

Pour en savoir plus sur le choix de la bonne vanne pour votre application, lisez notre article technique sur la sélection des vannes à bille.

Poignée de vanne à bille

La poignée est connectée à la tige de la vanne (Figure 2 numéro 1) et est capable de tourner la vanne de la position ouverte à fermée (90 degrés). Si elle est installée correctement, la vanne sera ouverte lorsque la poignée est parallèle au tuyau et fermée lorsque la poignée est perpendiculaire au tuyau. Prendre note de la direction de la poignée est important pour savoir visuellement si la vanne à bille est ouverte ou fermée. Il existe des types supplémentaires de poignées de vanne à bille, comme les poignées verrouillables ou les volants de vanne à bille. Ceux-ci fonctionnent comme leurs noms l'indiquent. Si vous avez une vanne à bille plus grande ou avez besoin de couple supplémentaire pour ouvrir ou fermer la vanne, une extension de poignée de vanne à bille peut être nécessaire. Si votre poignée se casse, est mal placée ou si vous convertissez une vanne à bille automatique en une vanne manuelle, vous pouvez acheter des poignées de remplacement pour vanne à bille.

Vannes à bille ventilées

Les vannes à bille ventilées ressemblent presque aux vannes à bille standard à 2 voies en termes de conception. La principale différence est que le port de sortie ventile vers l'environnement en position fermée. Cela est réalisé par un petit trou percé dans la bille et dans le corps de la vanne. Lorsque la vanne se ferme, les trous s'alignent avec le port de sortie et libèrent la pression. Cela est particulièrement utile dans les systèmes d'air comprimé où la dépressurisation offre un environnement de travail plus sûr. Intuitivement, ces vannes ressemblent à des vannes à bille à 2 voies alors qu'en réalité, elles sont à 3/2 voies en raison du petit trou de ventilation.

Vannes à bille automatiques

Au lieu d'une opération manuelle de la poignée pour ouvrir ou fermer la vanne, certaines vannes peuvent être équipées d'un actionneur électrique ou pneumatique comme illustré à la Figure 4. Ils se connectent directement à la tige de la vanne (Figure 2 numéro 1) et sont capables de la tourner d'un quart de tour. La connexion de bride la plus courante entre la vanne et l'actionneur est la norme ISO 5211. La Figure 4 montre un exemple de sommet ISO 5211 prêt à être connecté à un actionneur. En utilisant un actionneur, vous pouvez contrôler votre vanne à bille à distance ou via un contrôleur afin qu'elle puisse être utilisée comme une fermeture automatique. Une vanne à bille actionnée par ressort, également appelée vanne à ressort ou vanne à bille à rappel par ressort, utilise un ressort pour ouvrir/fermer la vanne en cas de coupure de courant et un actionneur pour maintenir ensuite la vanne à bille en position ouverte/fermée. Elles sont utilisées pour des applications de conservation d'énergie ou pour des raisons de sûreté en cas de défaillance.

Il existe plusieurs façons de contrôler un actionneur électrique :

• Un contrôle à 2 points (également appelé circuit Ouvert-Fermé ou Marche-Arrêt) utilise un fil de commande en plus des fils d'alimentation. Une fois que le fil de commande est alimenté, la vanne s'ouvre électriquement. Si le fil de commande n'est pas alimenté, la vanne se ferme (électriquement ou par le biais d'un ressort).
• Un contrôle à 3 points utilise deux fils de commande : un pour faire tourner la bille dans le sens antihoraire, et un pour faire tourner la bille dans le sens horaire. En fonction de l'application, le contrôle le plus approprié peut être choisi.

Certains actionneurs électriques peuvent également fournir un contrôle de modulation, qui positionnera la vanne à bille entre 0-100% ouverte/fermée. Pour plus d'informations concernant le fonctionnement automatique, lisez notre article sur l'installation des vannes à bille électriques.

Matériaux de corps de vanne à bille

Les matériaux de corps les plus courants sont le laiton, l'acier inoxydable et le PVC (chlorure de polyvinyle). La bille est généralement en acier chromé, en laiton chromé, en acier inoxydable ou en PVC. Les sièges sont souvent en Téflon, mais peuvent également être en d'autres matériaux synthétiques ou en métaux. Lisez notre résistance chimique des matériaux pour plus d'informations.

Vanne à bille en laiton

Le laiton détient la plus grande part de marché (Figure 5). Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc et possède de bonnes propriétés mécaniques. Les vannes en laiton sont utilisées pour l'eau (potable), le gaz, l'huile, l'air et de nombreux autres médias. Les solutions chlorées (par exemple, l'eau de mer) ou l'eau déminéralisée peuvent provoquer la dézincification. La dézincification est une forme de corrosion dans laquelle le zinc est retiré de l'alliage. Cela crée une structure poreuse avec une résistance mécanique considérablement réduite. Un corps en laiton est idéal pour une vanne à bille pour l'air ou une vanne à bille pour la plomberie. Consultez notre manuel sur les vannes à bille en laiton 2 voies ou les vannes à bille en laiton 3 voies.

Vanne à bille en acier inoxydable

L'acier inoxydable est utilisé pour les milieux corrosifs et les environnements agressifs (Figure 6). Il est donc souvent utilisé dans l'eau de mer, les piscines, les installations d'osmose, à des températures élevées et avec de nombreux produits chimiques. La plupart des aciers inoxydables sont austénitiques. Les types 304 et 316 sont les plus courants, le 316 ayant la meilleure résistance à la corrosion. Le 304 est parfois appelé 18/8 en raison de ses 18% de chrome et 8% de nickel. Le 316 contient 18% de chrome et 10% de nickel (18/10). Les vannes en acier inoxydable nécessitent généralement un couple de fonctionnement plus élevé que, par exemple, les vannes en laiton ou en PVC. Cela doit être pris en compte lorsqu'une vanne en acier inoxydable est actionnée par un actionneur électrique ou pneumatique. Consultez notre manuel sur les vannes à bille en acier inoxydable à 2 voies ou les vannes à bille en acier inoxydable à 3 voies.

Vanne à bille en PVC

Le PVC a souvent un prix plus bas (sauf pour les vannes ISO-top) et est largement utilisé dans l'irrigation, l'approvisionnement en eau et le drainage ou les milieux corrosifs (Figure 7). Le PVC signifie polychlorure de vinyle. Le PVC est résistant à la plupart des solutions salines, des acides, des bases et des solvants organiques. Le PVC n'est pas adapté aux températures supérieures à 60 °C et n'est pas non plus résistant aux hydrocarbures aromatiques et chlorés. Le PVC n'est pas aussi solide que le laiton ou l'acier inoxydable, par conséquent, les vannes à bille en PVC ont une pression nominale plus basse. Lisez notre article sur les vannes à bille en PVC pour plus d'informations sur ce type de vanne.

Vanne à bille en laiton vs acier inoxydable vs PVC

Matériau	Avantages	Inconvénients
Laiton	Durable, adapté à la plupart des applications	Sensible à la dézincification
Acier inoxydable	Très résistant à l'abrasion, inerte, résistant à la corrosion	Prix plus élevé, nécessite souvent plus de couple pour faire tourner la bille
PVC	Rentable, non sujet à la corrosion	Durée de vie plus courte, plages de pression et de température limitées

Pour une comparaison entre les utilisations d'une vanne à boisseau sphérique et d'une vanne papillon, lisez notre article de comparaison des vannes papillon et à boisseau sphérique.

Joints et joints toriques

La plupart des sièges de vanne sont fabriqués en PTFE (Téflon). PTFE signifie PolyTétraFluorÉthylène. Ce matériau a une très bonne résistance chimique et un point de fusion élevé (~327 °C). En outre, le coefficient de frottement est extrêmement bas. Un petit inconvénient du PTFE est que le matériau montre un fluage, ce qui peut entraîner une détérioration de l'étanchéité au fil du temps. De plus, le PTFE a un coefficient de dilatation thermique assez élevé. Une solution à ce problème est d'utiliser un ressort pour appliquer une pression constante sur le joint en Téflon, comme par exemple un ressort à coupelle. D'autres matériaux d'étanchéité populaires sont le PTFE et le Polyamide (Nylon). Plus le matériau du siège de la vanne est dur, plus il est difficile de maintenir une étanchéité correcte. Pour certaines applications où l'utilisation de matériaux souples n'est pas possible, par exemple à des températures très élevées, des sièges de vanne en métal ou en céramique sont utilisés.

Vannes à boisseau sphérique haute pression

Comme son nom l'indique, une vanne à boisseau sphérique haute pression fonctionne sous une pression de fluide élevée, environ 500-700 bars. Lorsque la taille de la vanne augmente, elle réduit la pression qu'elle peut supporter, et vice versa. Ces vannes sont très durables et utilisées dans les systèmes de tuyauterie avec des connexions à la même charge de pression. Les vannes à boisseau sphérique haute pression de type manuel peuvent être actionnées en tournant le levier de 90 degrés. Les vannes à boisseau sphérique haute pression motorisées sont simulées par un signal électrique pour leur fonctionnement. Des matériaux comme l'acier au carbone et l'acier inoxydable 316 sont utilisés pour la construction de la vanne. Des matériaux duplex ou d'autres matériaux très résistants doivent être utilisés pour construire des pièces de vanne comme la tige, la bille et les bagues de siège. Cela aide à supporter les cotes de haute pression de la vanne et le couple maximal admissible de la tige de l'actionneur.

Les vannes à boisseau sphérique haute pression sont disponibles dans les types de connexion suivants :

• Filetage parallèle de tuyau britannique (BSPP)
• Filetage de tuyau national (NPT)
• Type de compression (DIN 2353/ISO 8434-1)
• Extrémité de soudure

Les vannes à boisseau sphérique haute pression sont utilisées dans les secteurs où le fluide est stocké en grandes quantités et utilisé selon leurs besoins, comme les parcs aquatiques, les usines de distribution d'eau et les industries chimiques.

Vannes à boisseau sphérique hydrauliques

Les vannes à boisseau sphérique hydrauliques sont spécialement conçues pour les systèmes hydrauliques et de chauffage en raison de leur haute pression de fonctionnement et de leur résistance aux huiles hydrauliques et de chauffage. Ces vannes sont fabriquées en acier ou en acier inoxydable. En plus de ces matériaux, les sièges rendent également les vannes hydrauliques adaptées à une haute pression de fonctionnement. Les sièges de ces vannes sont fabriqués en polyoxyméthylène (POM), qui est adapté aux applications à haute pression et basse température. La pression de fonctionnement maximale des vannes à boisseau sphérique hydrauliques dépasse 500 bars tandis que la température maximale atteint 80 °C.

Types de connexion des vannes à boisseau sphérique

Les vannes à boisseau sphérique peuvent être connectées aux tuyaux de plusieurs façons, ce qui les rend polyvalentes pour diverses applications. Voici leurs types de connexion courants :

• Standard (fileté) : Les vannes à boisseau sphérique standard se composent du boîtier, des sièges, du boisseau et du levier pour la rotation du boisseau. Elles incluent des vannes à deux, trois et quatre ports qui peuvent être filetées femelles ou mâles, ou une combinaison de celles-ci. Pour plus d'informations sur une connexion filetée, lisez notre article sur les types de connexion des vannes à boisseau sphérique.
• À brides : Les ports sont connectés à un système de tuyauterie via des brides généralement conçues conformément à une certaine norme. Ces vannes offrent un débit élevé car elles ont généralement un design à passage intégral.

Approbations

Pour certaines applications, des approbations sont souhaitées ou requises. L'eau potable et le gaz sont les plus courants. Choisir une vanne à boisseau sphérique certifiée assure que le produit répond à d'importantes exigences de sécurité.

Eau potable

Ces vannes à boisseau sphérique sont adaptées aux applications d'eau potable et ont une approbation WRAS, KIWA ou DVGW. Si elles sont utilisées avec un réservoir d'eau, elles fonctionnent souvent en connexion avec un interrupteur à flotteur pour surveiller le niveau d'eau. De plus, la fonction d'arrêt de la vanne à boisseau sphérique pour l'eau assure un moyen rapide et sécurisé d'arrêter le débit d'eau en cas de besoin.

Gaz

Ces vannes à boisseau sphérique sont approuvées pour les appareils à gaz.

FAQs

Quand une vanne à boisseau sphérique est-elle ouverte ?

Une vanne à boisseau sphérique est ouverte lorsque la poignée est alignée avec le tuyau et fermée lorsque la vanne est perpendiculaire au tuyau. Elle ne nécessite qu'une rotation de 90 degrés.

Qu'est-ce qu'une vanne à boisseau sphérique ?

Une vanne à boisseau sphérique est une vanne d'arrêt qui contrôle le débit d'un liquide ou d'un gaz au moyen d'un boisseau rotatif ayant un alésage. Elles peuvent être actionnées par une poignée ou automatisées avec un actionneur électrique ou pneumatique.

Comment installer une vanne à boisseau sphérique ?

Vissez l'entrée et la sortie de la vanne à boisseau sphérique dans votre assemblage fileté. Assurez-vous que la poignée est correctement installée (parallèle est ouvert) avant l'installation.

Les vannes à boisseau sphérique peuvent-elles échouer ?

Oui, une vanne à boisseau sphérique peut échouer. Les types de défaillance courants sont un joint endommagé (la vanne ne se scelle pas à 100%) ou des débris entrant dans la vanne (la vanne ne bouge pas).

À quoi peut servir une vanne à boisseau sphérique ?

Une vanne à boisseau sphérique peut être utilisée à la fois comme vanne d'arrêt et comme vanne de régulation pour les liquides et les gaz. Dans le cas d'une vanne de régulation, l'alésage est généralement en forme de V.

Qu'est-ce qu'une vanne forgée ?

Les vannes à boisseau sphérique forgées sont créées en façonnant les alliages et les métaux à l'état solide. Les métaux et alliages sont pliés par chauffage ou avec des outils industriels de grande taille qui exercent des forces de compression pour plier les matériaux.