Types courants de robinets à tournant sphérique

Présentation des vannes à boisseau sphérique

Vue en coupe de vanne à boisseau sphérique

Figure 1 : Vue en coupe de vanne à boisseau sphérique

Une vanne à boisseau sphérique est une vanne d'arrêt qui contrôle le flux d'un liquide ou d'un gaz au moyen d'une bille rotative ayant un alésage. En faisant tourner la bille d'un quart de tour (90 degrés) autour de son axe, la vanne est ouverte ou fermée et le milieu peut s'écouler ou est bloqué, respectivement. Les vannes à boisseau sphérique se caractérisent par une longue durée de vie et assurent une étanchéité fiable tout au long de leur durée de vie, même lorsque la vanne n'est pas utilisée pendant longtemps. Elles sont plus résistantes aux milieux contaminés que la plupart des autres types de vannes.

Certaines versions de vannes à boisseau sphérique sont également utilisées comme vannes de régulation. Cette application est moins courante en raison de la précision relativement limitée pour contrôler le débit par rapport à d'autres types de vannes de régulation. Cependant, les vannes à boisseau sphérique offrent certains avantages ici. Par exemple, elles garantissent une étanchéité fiable, même si le milieu est sale. La Figure 1 montre une vue en coupe d'une vanne à boisseau sphérique.

Table des matières

Principe de fonctionnement et composants de la vanne à boisseau sphérique

Schéma de vanne à boisseau sphérique : tige (A), joints toriques (B), corps (C), bille (D) et siège (E).

Figure 2 : Schéma de vanne à boisseau sphérique : tige (A), joints toriques (B), corps (C), bille (D) et siège (E).

Il est important de connaître les cinq principaux composants d'une vanne à boisseau sphérique pour comprendre son principe de fonctionnement. Le schéma de la vanne à boisseau sphérique dans la Figure 2 montre ces cinq principaux composants.

  • Tige de vanne (A) : La tige de vanne relie l'actionneur (par exemple, la poignée ou l'actionneur (électrique ou pneumatique)) à la bille.
  • Joints toriques (B) : 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 de la bille.

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

Les vannes à boisseau sphérique sont plus populaires en tant que vannes d'arrêt que, par exemple, la vanne à guillotine. Pour une comparaison complète, consultez notre article sur la vanne à guillotine vs vanne à boisseau sphérique.

Fonction de circuit

La vanne peut avoir deux, trois ou même quatre ports (2 voies, 3 voies ou 4 voies). La grande majorité des vannes à boisseau sphérique sont à 2 voies et actionnées manuellement 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 boisseau sphérique est simplement de l'entrée à la sortie pour une vanne à 2 voies. Les vannes à boisseau sphérique actionnées manuellement peuvent être rapidement fermées, ce qui comporte un risque de coup de bélier avec des milieux à écoulement rapide. Certaines vannes à boisseau sphérique 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 de circuit (direction du flux). Cela peut être vu dans la Figure 3. Par conséquent, diverses fonctions de circuit peuvent être réalisées telles que la distribution ou le mélange des flux. Une vanne à boisseau sphérique à 90 degrés a deux ports qui sont positionnés à un angle de 90 degrés.

Vanne à boisseau sphérique à 3 voiesFonctions de circuit pour un alésage en T et en L

Figure 3 : Exemple d'une vanne à boisseau sphérique à 3 voies et les fonctions de circuit pour un alésage en T et en L.

Assemblage du corps

L'assemblage du corps de la vanne peut être divisé en trois conceptions couramment utilisées : corps monobloc, corps en deux parties et corps en trois parties. 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 configuration.

  • Corps monobloc : Il s'agit de la variante la moins chère. Les deux parties qui enferment 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.
  • Corps en deux parties : Les vannes en deux parties peuvent être démontées pour le nettoyage, l'entretien et l'inspection. Souvent, les pièces sont reliées par une connexion filetée. La vanne doit être complètement retirée du tuyau pour séparer les deux parties.
  • Corps en trois parties : Les vannes plus coûteuses ont souvent trois pièces. Les pièces sont généralement serrées ensemble par des connexions boulonnées. L'avantage de cette configuration est que la vanne peut être entretenue sans retirer l'ensemble de la vanne du pipeline.

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

Vannes à boisseau forgées

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

La matrice aide à mouler le métal dans une forme spécifique, tandis que la machine applique une pression suffisante qui force le métal à prendre la forme appropriée. Pour les vannes à boisseau de 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 boisseau forgées
  • Les vannes à boisseau forgées sont solides et durables et peuvent être utilisées dans des situations particulièrement exigeantes impliquant des températures et des pressions élevées.
  • Le processus de forgeage réduit la susceptibilité des vannes à boisseau à des problèmes tels que la porosité, la fissuration et le retrait.
  • Les vannes à boisseau forgées peuvent s'adapter rapidement aux variations de température ; par conséquent, ces vannes conviennent à un fonctionnement dans des environnements multiples.
  • Faibles besoins en entretien.

Conception de la bille

La conception la plus courante est la "conception de bille flottante". La bille est suspendue dans le milieu et maintenue en place par deux bagues d'étanchéité. Certaines vannes de haute qualité ont une conception de bille à tourillon. La bille est soutenue en haut et en bas pour réduire la charge sur les sièges de vanne.

  • Flottante : La majorité des vannes à boisseau sphérique ont une bille flottante. La bille est soutenue par les sièges de vanne.
  • Tourillon : Les vannes de grands diamètres et à hautes pressions de service (par exemple DN > 100 mm et 30 bar) intègrent souvent un support de vanne à bille dans leur conception. Spécifiquement, la bille est soutenue en bas et en haut pour réduire la charge sur les bagues d'étanchéité. 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 boisseau sphérique ont un alésage réduit. Par conséquent, la vanne introduit des pertes de friction dans le système. Ces pertes restent relativement faibles par rapport à d'autres types de vannes. Les vannes à boisseau sphérique 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 de friction supplémentaires et que le système est mécaniquement plus facile à nettoyer (raclage). L'inconvénient est que la bille et le boîtier sont plus grands qu'une vanne à quart de tour à alésage réduit standard. Le coût est donc légèrement plus élevé, et pour de nombreuses applications, cela n'est pas nécessaire. Elles sont également appelées vannes à boisseau sphérique 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'. Par conséquent, le débit souhaité peut être contrôlé plus précisément en faisant tourner la bille. En optimisant le profil, une caractéristique de débit linéaire peut être approchée.

Pour en savoir plus sur le choix approprié pour votre application, lisez notre article technique sur la sélection de vannes à boisseau sphérique.

Poignée de vanne à boisseau sphérique

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 la position fermée (90 degrés). Si installée correctement, la vanne sera ouverte lorsque la poignée est parallèle au tuyau et fermée lorsque la poignée est perpendiculaire au tuyau. Il est important de noter la direction de la poignée pour savoir visuellement si la vanne à boisseau sphérique est ouverte ou fermée. Il existe d'autres types de poignées de vanne à boisseau sphérique, comme les poignées verrouillables ou les volants de vanne à boisseau sphérique. Ceux-ci fonctionnent comme leur nom l'indique. Si vous avez une vanne à boisseau sphérique plus grande ou avez besoin de couple supplémentaire pour ouvrir ou fermer la vanne, une rallonge de poignée de vanne à boisseau sphérique peut être nécessaire. Si votre poignée se casse, est égarée ou si vous convertissez une vanne à boisseau sphérique automatique en une manuelle, vous pouvez acheter des poignées de rechange pour vanne à boisseau sphérique.

Vannes à boisseau sphérique ventilées

Les vannes à boisseau sphérique ventilées ressemblent presque aux vannes à boisseau sphérique standard à 2 voies en termes de conception. La principale différence est que le port de sortie se 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 boisseau sphérique à 2 voies alors qu'en réalité, elles sont à 3/2 voies en raison du petit trou de purge.

Vannes à boisseau sphérique 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 dans 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 par bride la plus courante entre la vanne et l'actionneur est la norme ISO 5211. La Figure 4 montre un exemple d'un dessus ISO 5211 prêt à être connecté à un actionneur. En utilisant un actionneur, vous pouvez contrôler votre vanne à boisseau sphérique à distance ou via un régulateur pour qu'elle puisse être utilisée comme un dispositif de fermeture automatique. Une vanne à boisseau sphérique à actionnement par ressort, également appelée vanne à rappel par ressort, utilise un ressort pour ouvrir/fermer la vanne dans un scénario de coupure de courant et un actionneur pour maintenir ensuite la vanne à boisseau sphérique en position ouverte/fermée. Celles-ci sont utilisées pour des applications de conservation d'énergie ou pour des raisons de sécurité.

Vanne à boisseau sphérique pneumatique 3 voiesVanne à boisseau sphérique électriqueDessus de vanne à boisseau sphérique ISO

Figure 4 : Vanne à boisseau sphérique pneumatique (à gauche), vanne à boisseau sphérique électrique (au milieu), vanne à boisseau sphérique avec dessus ISO (à droite).

Il existe plusieurs façons différentes de contrôler un actionneur électrique :

  • Un contrôle à 2 points (également appelé circuit Ouvert-Fermer 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 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. Selon l'application, le contrôle le plus approprié peut être choisi.

Certains actionneurs électriques peuvent également offrir un contrôle de modulation, qui positionnera la vanne à boisseau sphérique entre 0 et 100 % ouverte/fermée. Pour plus d'informations sur le fonctionnement automatique, consultez notre article sur l'installation de vannes à boisseau sphérique à commande électrique.

Matériaux du boîtier de la vanne à boisseau sphérique

Les matériaux de boîtier 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 pourraient également être en d'autres matériaux synthétiques ou métaux. Consultez notre résistance chimique des matériaux pour plus d'informations.

Vanne à boisseau sphérique 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 fluides. Les solutions chlorées (par ex. l'eau de mer) ou l'eau déminéralisée peuvent provoquer une 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 diminuée. Un boîtier en laiton est idéal pour une vanne à boisseau sphérique pour l'air ou une vanne à boisseau sphérique pour la plomberie. Consultez nos vannes à boisseau sphérique en laiton à 2 voies ou vannes à boisseau sphérique en laiton à 3 voies.

Vanne à boisseau sphérique en laiton.

Figure 5 : Vanne à boisseau sphérique en laiton.

Vanne à boisseau sphérique en acier inoxydable

L'acier inoxydable est utilisé pour les fluides corrosifs et les environnements agressifs (Figure 6). Ils sont donc souvent utilisés dans l'eau de mer, les piscines, les installations d'osmose, avec des températures élevées et de nombreux produits chimiques. La plupart de l'acier inoxydable est austénitique. 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 18 % de chrome et 8 % de nickel. Le 316 a 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 nos vannes à boisseau sphérique en acier inoxydable à 2 voies ou vannes à boisseau sphérique en acier inoxydable à 3 voies.

Vanne à boisseau sphérique en acier inoxydable.

Figure 6 : Vanne à boisseau sphérique en acier inoxydable.

Vanne à boisseau sphérique en PVC

Le PVC a souvent un prix plus bas (sauf pour les vannes à dessus ISO) et est largement utilisé dans l'irrigation, l'approvisionnement en eau et le drainage ou les fluides corrosifs (Figure 7). PVC signifie chlorure de polyvinyle. 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 résistant que le laiton ou l'acier inoxydable, donc les vannes à boisseau sphérique en PVC ont une pression de service inférieure. Lisez notre article sur les vannes à boisseau sphérique en PVC pour plus d'informations sur ce type de vanne.

Vanne à boisseau sphérique en PVC.

Figure 7 : Vanne à boisseau sphérique en PVC.

Vanne à boisseau sphérique en laiton vs en acier inoxydable vs en 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, souvent besoin de plus de couple pour faire tourner la bille
PVC Économique, 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 sur les vannes papillon et vannes à boisseau sphérique.

Joints et joints toriques

La plupart des sièges de vanne sont en PTFE (Téflon). Le PTFE signifie PolyTétraFluoroÉthylène. Ce matériau présente une très bonne résistance chimique et un point de fusion élevé (~327 °C). En plus de cela, le coefficient de frottement est extrêmement faible. Un petit inconvénient du PTFE est que le matériau présente un fluage, ce qui peut entraîner une détérioration de l'étanchéité avec le temps. En outre, le PTFE a un coefficient de dilatation thermique plutôt 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 en coupelle. D'autres matériaux d'étanchéité populaires sont le PTFE et le Polyamide (Nylon). Plus le matériau du siège de vanne est dur, plus il est difficile de maintenir une étanchéité adéquate. Pour certaines applications où l'utilisation de matériaux souples n'est pas possible, par exemple avec des températures très élevées, des sièges de vanne en métal ou en céramique sont utilisés.

Vannes à boisseau sphérique haute pression

Vanne à boisseau sphérique haute pression.

Figure 8: Vanne à boisseau sphérique haute pression.

Comme son nom l'indique, une vanne à boisseau sphérique haute pression fonctionne sous une pression de fluide élevée, d'environ 500 à 700 bars. Lorsque la taille de la vanne augmente, la pression qu'elle peut supporter diminue, et vice versa. Ces vannes sont très durables et utilisées dans des systèmes de tuyauterie avec des raccords 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 tels que 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 résilients doivent être utilisés pour construire des pièces de vanne comme la tige, la bille et les bagues d'étanchéité. Cela aide à supporter les classifications de pression élevée 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 raccordement suivants :

  • Filetage parallèle au tuyau standard britannique (BSPP)
  • Filetage conique national (NPT)
  • Type de compression (DIN 2353/ISO 8434-1)
  • Extrémité à souder

Les vannes à boisseau sphérique haute pression sont utilisées dans les secteurs où le fluide est stocké en grande quantité et utilisé selon les besoins, comme les parcs aquatiques, les stations 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 classification de pression de fonctionnement élevée et de leur résistance à l'huile hydraulique et de chauffage. Ces vannes sont fabriquées en acier ou en acier inoxydable. Outre ces matériaux, les sièges rendent également les vannes hydrauliques adaptées à une pression de fonctionnement élevée. Les sièges de ces vannes sont en polyoxyméthylène (POM), qui convient 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 raccordement des vannes à boisseau sphérique

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

  • Standard (fileté) : Les vannes à boisseau sphérique standard se composent du boîtier, des sièges, de la bille et du levier pour la rotation de la bille. Elles comprennent des vannes à deux, trois et quatre ports qui peuvent être filetées femelles ou mâles ou une combinaison des deux. Pour plus d'informations sur un raccord fileté, consultez notre article sur les types de raccordement des vannes à boisseau sphérique.
  • À brides : Les ports sont raccordés à un système de tuyauterie via des brides qui sont généralement conçues conformément à une norme spécifique. Ces vannes offrent un débit élevé car elles ont généralement une conception à passage intégral.

Homologations

Pour certaines applications, des homologations 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 des exigences de sécurité importantes.

Eau potable

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

Homologations courantes des vannes à boisseau sphérique pour l'eau potable (DVGW, KIWA, WRAS).

Figure 9: Homologations courantes des vannes à boisseau sphérique pour l'eau potable (DVGW, KIWA, WRAS).

Gaz

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

Homologations courantes des vannes à boisseau sphérique pour les appareils à gaz (DVGW, GASTEC, EN-331).

Figure 10: Homologations courantes des vannes à boisseau sphérique pour les appareils à gaz (DVGW, GASTEC, EN-331).

FAQ

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. Il suffit de la faire tourner 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 flux d'un liquide ou d'un gaz au moyen d'une bille rotative 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 installée correctement (parallèle signifie 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 ferme 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.