Vannes à bille - Comment ils fonctionnent

Un robinet à bille est un robinet d'arrêt qui contrôle le débit d'un liquide ou d'un gaz au moyen d'une bille rotative dotée d'un alésage. En faisant tourner la bille d'un quart de tour (90 degrés) autour de son axe, le fluide peut passer ou est bloqué. Ils se caractérisent par une longue durée de vie et assurent une étanchéité fiable pendant toute la durée de vie, même lorsque la vanne n'est pas utilisée pendant une longue période. Par conséquent, ils sont plus populaires en tant que vanne d'arrêt que, par exemple, le robinet-vanne. Pour une comparaison complète, lisez notre article sur les robinets-vannes et les robinets à boisseau sphérique. Les robinets à tournant sphérique sont plus résistants aux fluides contaminés que la plupart des autres types de robinets.

Dans des versions spéciales, les robinets à tournant sphérique sont également utilisés comme vannes de régulation. Cette application est moins courante en raison de la précision relativement limitée du contrôle du débit par rapport à d'autres types de vannes de régulation. Cependant, la valve présente également des avantages. Par exemple, il garantit une étanchéité fiable, même dans le cas de supports sales. La figure 1 montre une vue en coupe d'un robinet à boisseau sphérique.

Table des matières

• Types de robinets à boisseau sphérique les plus courants
• Principe de fonctionnement du robinet à boisseau sphérique
• Vannes à bille automatiques
• Matériaux de construction
• Robinets à tournant sphérique haute pression
• Agréments
• FAQ

Types de robinets à boisseau sphérique les plus courants

Standard (fileté)

Les robinets à tournant sphérique standard se composent d'un boîtier, de sièges, d'un tournant sphérique et d'un levier pour la rotation du tournant sphérique. Ils comprennent des vannes à deux, trois et quatre orifices qui peuvent être à filetage femelle ou mâle ou une combinaison de ceux-ci. Les vannes filetées sont les plus courantes et se déclinent en de nombreuses variétés : avec des homologations pour des fluides ou des applications spécifiques, des mini-vannes à bille, des vannes à bille coudées, des vannes à bille ISO, avec un filtre intégré ou un point de purge, et la liste est encore longue. Ils disposent d'une large gamme d'options et d'une grande plage de fonctionnement en termes de pression et de température.

Pour plus d'informations sur les raccords filetés, lisez notre article sur les types de raccords des robinets à boisseau sphérique.

Hydraulique

Les robinets à tournant sphérique hydrauliques sont spécialement conçus pour les systèmes hydrauliques et de chauffage en raison de leur pression de service élevée et de leur résistance aux huiles hydrauliques et de chauffage. Ces vannes sont fabriquées en acier ou en acier inoxydable. Outre ces matériaux, les sièges permettent également aux valves hydrauliques de supporter des pressions de fonctionnement élevées. Les sièges de ces vannes sont en polyoxyméthylène (POM), qui convient aux applications à haute pression et à basse température. La pression de fonctionnement maximale des robinets à tournant sphérique hydrauliques est supérieure à 500 bars, tandis que la température maximale peut atteindre 80°C.

À bride

Les robinets à tournant sphérique à bride se caractérisent par leur type de raccordement. Les orifices sont raccordés à un système de tuyauterie par l'intermédiaire de brides qui sont généralement conçues conformément à une certaine norme. Ces vannes offrent un débit élevé car elles sont généralement conçues pour un passage intégral. Lorsque vous choisissez un robinet à boisseau sphérique à bride, outre la pression nominale, vous devez également vérifier la classe de compression de la bride, qui indique la pression la plus élevée que ce type de raccordement peut supporter. Ces robinets à tournant sphérique sont conçus avec deux, trois ou quatre orifices, ils peuvent être approuvés pour des fluides spécifiques, avoir un couvercle ISO et tout ce qu'un robinet quart de tour standard peut avoir. Ils sont généralement fabriqués en acier inoxydable, en acier ou en fonte.

Pour plus d'informations sur un raccordement à bride, lisez notre article sur les types de raccordement des robinets à boisseau sphérique.

Ventilé

Les robinets à boisseau sphérique ventilés sont pratiquement identiques aux robinets à boisseau sphérique standard à deux voies en ce qui concerne leur conception. La principale différence est que l'orifice de sortie s'évacue dans l'environnement en position fermée. Pour ce faire, un petit trou est percé dans la bille et dans le corps de la vanne. Lorsque la valve se ferme, les trous s'alignent sur l'orifice de sortie et libèrent la pression. Ceci est particulièrement utile dans les systèmes d'air comprimé où la dépressurisation permet un environnement de travail plus sûr. Intuitivement, ces vannes ressemblent à des vannes à boisseau sphérique à deux voies, alors qu'elles sont en fait à trois voies et demie en raison du petit trou pour la mise à l'air libre.

Robinets à boisseau sphérique forgés

Les robinets à tournant sphérique forgés sont créés en façonnant les alliages et les métaux alors qu'ils sont encore sous leur forme solide. Les métaux et les alliages sont pliés par chauffage ou à l'aide d'outils de taille industrielle qui exercent une force de compression pour plier les matériaux. Les robinets à tournant sphérique forgés sont mieux adaptés aux applications industrielles qui requièrent des températures et des pressions élevées, ainsi que d'autres conditions sévères. Des matériaux tels que le laiton et l'acier inoxydable peuvent être utilisés pour construire des robinets à tournant sphérique forgés. Au cours du processus de fabrication, le métal (ou l'alliage) est chauffé, comprimé, plié et façonné selon la conception du robinet à boisseau sphérique à l'aide d'une machine à forger sous pression.

La matrice permet de mouler le métal dans une forme spécifique, tandis que la machine applique une pression suffisante pour forcer le métal à prendre la forme voulue. Pour les robinets à tournant sphérique de plus grande taille, il est nécessaire de souder différents composants. Les vannes peuvent également être recouvertes de revêtements spécialisés en fonction de besoins spécifiques.

Avantages du robinet à boisseau sphérique forgé

• Les robinets à tournant sphérique forgés sont solides et durables, et ces robinets peuvent être utilisés dans des situations particulièrement exigeantes qui impliquent des températures et des pressions élevées.
• Le processus de forgeage réduit la sensibilité du robinet à boisseau sphérique à des problèmes tels que la porosité, la fissuration et le rétrécissement.
• Les robinets à tournant sphérique forgés peuvent s'adapter très rapidement aux changements de température ; par conséquent, ces robinets conviennent pour fonctionner dans des environnements multiples.
• Peu d'entretien

Principe de fonctionnement du robinet à boisseau sphérique

Pour comprendre le principe de fonctionnement d'un robinet à boisseau sphérique, il est important de connaître les 5 pièces principales du robinet à boisseau sphérique et les 2 différents types de fonctionnement. Les 5 principaux composants sont représentés sur le schéma du robinet à boisseau sphérique de la figure 2. La tige de la vanne (1) est reliée à la bille (4) et peut être actionnée manuellement ou automatiquement (électriquement ou pneumatiquement). La bille est soutenue et étanchée par le siège de la vanne (5) et des joints toriques (2) autour de la tige de la vanne. Ils se trouvent tous à l'intérieur du boîtier de la valve (3). La bille est percée d'un trou, comme le montre la vue en coupe de la figure 1. Lorsque la tige de la vanne est tournée d'un quart de tour, l'orifice est soit ouvert à l'écoulement, ce qui permet au fluide de s'écouler, soit fermé, ce qui empêche le fluide de s'écouler. La fonction du circuit des vannes, l'assemblage du boîtier, la conception de la bille et les types de fonctionnement ont tous un impact sur le fonctionnement des vannes à bille.

Fonction du circuit

La vanne peut avoir deux, trois ou même quatre orifices (2 voies, 3 voies ou 4 voies). La grande majorité des robinets à tournant sphérique sont à deux voies et sont actionnés manuellement à l'aide d'un levier. Le levier est aligné avec le tuyau lorsque la vanne est ouverte. En position fermée, la poignée est perpendiculaire au tuyau. Le sens d'écoulement d'une vanne à bille va simplement de l'entrée à la sortie dans le cas d'une vanne à 2 voies. Les robinets à boisseau sphérique à commande manuelle peuvent se fermer rapidement et il existe donc un risque de coup de bélier avec les fluides à écoulement rapide. Certains robinets à tournant sphérique sont équipés d'une transmission. Les vannes à 3 voies ont un alésage en forme de L ou de T, qui affecte la fonction du circuit (direction du flux). C'est ce que montre la figure 3. Il est ainsi possible de réaliser diverses fonctions du circuit, telles que la distribution ou le mélange des flux.

Assemblage du boîtier

L'assemblage du corps de vanne peut être divisé en trois modèles couramment utilisés : corps en une pièce, en deux pièces et en trois pièces. La différence réside dans la manière dont la valve est assemblée, ce qui influe sur les possibilités d'entretien ou de réparation. Le fonctionnement des vannes est le même dans chaque cas.

• En une seule pièce : Il s'agit de la variante la moins chère. Les deux parties qui entourent la balle sont pressées ou soudées. Les vannes ne peuvent pas être ouvertes pour le nettoyage ou l'entretien. Ce type est généralement utilisé pour des applications peu exigeantes.
• Deux pièces : Les vannes en deux parties peuvent être démontées pour le nettoyage, l'entretien et l'inspection. Souvent, les pièces sont reliées par un raccord fileté. Le robinet doit être complètement retiré du tuyau afin de séparer les deux parties.
• Trois pièces : Les valves plus chères sont souvent composées de trois pièces. Les pièces sont généralement serrées les unes contre les autres par des boulons. L'avantage de ce mode de réalisation est qu'il est possible de procéder à l'entretien de la vanne sans avoir à la retirer entièrement de la canalisation.

Conception du ballon

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

• Flottant : La majorité des robinets à tournant sphérique sont dotés d'une bille flottante. La bille est supportée par les sièges de la vanne.
• Tourillon : Les vannes de grand diamètre et à pression de service élevée (par exemple DN >100mm et 30 bar) sont souvent à tourillon. La bille est soutenue en bas et en haut pour réduire la charge sur les anneaux du siège. Le couple de manœuvre est généralement plus faible pour les vannes à tourillon.

Le trou qui traverse la bille peut avoir différents profils tels qu'un alésage complet, un alésage réduit ou une forme en V.

• Alésage réduit : La plupart des robinets à tournant sphérique ont un alésage réduit. Par conséquent, la vanne introduit des pertes par frottement dans le système. Ces pertes restent relativement faibles par rapport à d'autres types de vannes. Les robinets à tournant sphérique monobloc sont presque toujours à passage réduit.
• Plein pot : Les vannes à passage intégral ont le même diamètre de passage 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 le boisseau et le boîtier sont plus grands qu'un robinet quart de tour standard à alésage réduit. Le coût est donc légèrement plus élevé et, pour de nombreuses applications, cela n'est pas nécessaire. Ils sont également appelés robinets à tournant sphérique à passage intégral.
• En forme de V : Le trou dans la bille ou le siège de la soupape 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, il est possible de s'approcher d'une caractéristique d'écoulement linéaire.

Pour en savoir plus sur le choix du bon robinet pour votre application, lisez notre article technique sur le choix du robinet à boisseau sphérique!

Poignée de vanne à bille

La poignée est reliée à la tige du robinet (Figure 2 numéro 1) et permet de tourner le robinet en position ouverte ou fermée (90 degrés). Si l'installation est correcte, le robinet est ouvert lorsque la poignée est parallèle au tuyau et fermé lorsque la poignée est perpendiculaire au tuyau. Il est important de noter la direction de la poignée pour savoir visuellement si la vanne est ouverte ou fermée. Il existe d'autres types de poignées de robinets à boisseau sphérique, comme les poignées verrouillables ou les volants de robinets à boisseau sphérique. Ils fonctionnent comme leur nom l'indique. Si vous avez un robinet à boisseau sphérique plus grand ou si vous avez besoin d'un couple supplémentaire pour ouvrir ou fermer le robinet, une extension de la poignée du robinet à boisseau sphérique peut être nécessaire. Si votre poignée se casse, est mal placée ou si vous transformez un robinet à boisseau automatique en robinet à boisseau manuel, vous pouvez acheter des poignées de remplacement pour robinets à boisseau.

Vannes à bille automatiques

Au lieu d'utiliser une poignée manuelle pour ouvrir ou fermer la vanne, certaines vannes peuvent être équipées d'un actionneur électrique ou pneumatique, comme le montre la figure 4. Ils se connectent directement à la tige de la valve (Figure 2 numéro 1) et sont capables de la tourner d'un quart de tour. La connexion à bride la plus courante entre la vanne et l'actionneur est la norme ISO 5211. La figure 4 montre un exemple de couvercle ISO 5211 prêt à être connecté à un actionneur. En utilisant un actionneur, vous pouvez contrôler votre robinet à boisseau sphérique à distance ou par l'intermédiaire d'un contrôleur afin qu'il puisse être utilisé comme un dispositif d'arrêt automatique. Un robinet à boisseau sphérique actionné par un ressort, également appelé robinet à ressort, utilise un ressort pour ouvrir/fermer le robinet dans un scénario de mise hors tension et un actionneur pour le maintenir en position ouverte/fermée. Ils sont utilisés pour des applications d'économie d'énergie ou pour des raisons de sécurité.

Il existe plusieurs façons de contrôler l'actionneur :

• Une commande à 2 points (également appelée circuit ouvert-fermé ou tout-ou-rien) utilise un fil de commande en plus des fils d'alimentation. Lorsque 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 l'intermédiaire d'un ressort).
• Une commande à 3 points utilise deux fils de commande : un pour faire tourner la balle dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et un autre pour la faire tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. En fonction de l'application, la commande la plus appropriée peut être choisie.

Certains actionneurs électriques peuvent également fournir une commande de modulation, qui positionne le robinet à boisseau sphérique entre 0 et 100 % d'ouverture/fermeture. Pour plus d'informations sur le fonctionnement automatique, lisez notre article sur l'installation de robinets à boisseau sphérique à commande électrique.

Matériaux du boîtier du robinet à boisseau sphérique

Les matériaux les plus courants sont le laiton, l'acier inoxydable et le PVC (chlorure de polyvinyle). La bille est généralement fabriquée en acier chromé, en laiton chromé, en acier inoxydable ou en PVC. Les sièges sont souvent en téflon, mais peuvent également être fabriqués à partir d'autres matériaux synthétiques ou de métaux. Vous trouverez plus d'informations à ce sujet sur la page : résistance chimique des matériaux.

Robinet 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 qui présente de bonnes propriétés mécaniques. Les vannes en laiton sont utilisées pour l'eau (potable), le gaz, le pétrole, l'air et de nombreux autres fluides. Les solutions de chlorure (par exemple l'eau de mer) ou l'eau déminéralisée peuvent provoquer une dézincification. La dézincification est une forme de corrosion dans laquelle le zinc est éliminé de l'alliage. Cela crée une structure poreuse dont la résistance mécanique est fortement diminuée. Un boîtier en laiton est idéal pour un robinet à bille pneumatique. Consultez nos robinets à boisseau sphérique manuels en laiton à 2 voies ou à 3 voies.

Vanne à bille en acier inoxydable

L'acier inoxydable est utilisé pour les milieux 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 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 car il contient 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 manœuvre plus élevé que les vannes en laiton ou en PVC, par exemple. Il faut en tenir compte lorsqu'une vanne en acier inoxydable est actionnée par un actionneur électrique ou pneumatique. Consultez nos robinets à boisseau sphérique manuels en acier inoxydable à 2 voies ou à 3 voies.

Vanne à bille en PVC

Le PVC a souvent un prix inférieur (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). PVC signifie chlorure de polyvinyle. Le PVC est résistant à la plupart des solutions salines, acides, bases et solvants organiques. Le PVC ne convient pas aux températures supérieures à 60 °C et ne résiste pas non plus aux hydrocarbures aromatiques et chlorés. Le PVC n'est pas aussi résistant que le laiton ou l'acier inoxydable, c'est pourquoi les robinets à tournant sphérique en PVC ont une pression nominale inférieure. Un article plus approfondi sur les robinets à boisseau sphérique en PVC peut être lu ici.

Robinet à boisseau sphérique en laiton, en acier inoxydable ou en PVC

Matériau	Avantages	Inconvénients
Laiton	Durable, convient 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 plus de couple nécessaire 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 bille et d'une vanne papillon, lisez notre article comparant les vannes papillon et les vannes à bille.

Joints et joints toriques

La plupart des sièges de soupape sont en PTFE (téflon). PTFE est l'abréviation de PolyTetraFluorEthylene. Ce matériau présente une très bonne résistance chimique et un point de fusion élevé (~327°C). En outre, 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 au fil du temps. En outre, le PTFE a un coefficient de dilatation thermique assez élevé. Une solution à ce problème consiste à utiliser un ressort afin d'appliquer une pression constante sur le joint en téflon, comme par exemple un ressort à coupelle. D'autres matériaux d'étanchéité courants sont le PTFE renforcé et le polyamide (nylon). Plus le matériau du siège de la soupape est dur, plus il est difficile de maintenir une bonne étanchéité. Pour certaines applications dans lesquelles il n'est pas possible d'utiliser des matériaux souples, par exemple à des températures très élevées, on utilise des sièges de soupape en métal ou en céramique.

Robinets à tournant sphérique haute pression

Comme son nom l'indique, un robinet à boisseau sphérique haute pression fonctionne sous une pression de fluide élevée, de l'ordre de 500 à 700 bars. Lorsque la taille de la soupape augmente, la pression qu'elle peut supporter diminue, et inversement. Ces vannes sont très durables et sont utilisées dans les systèmes de tuyauterie avec des raccords soumis à la même charge de pression. Les robinets à tournant sphérique haute pression de type manuel peuvent être actionnés en tournant le levier de 90 degrés. Les robinets à tournant sphérique haute pression motorisés sont simulés 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. Il convient d'utiliser des matériaux duplex ou d'autres matériaux hautement résilients pour construire les pièces de la vanne telles que la tige, la bille et les bagues de siège. Cela permet de résister aux pressions nominales élevées de la vanne et au couple maximal admissible de la tige de l'actionneur.

Les robinets à tournant sphérique haute pression sont disponibles dans les types de raccordement suivants : :

• Tube parallèle à la norme britannique (BSPP) fileté
• Filetage national (NPT) fileté
• Type de compression (DIN 2353/ISO 8434-1)
• Extrémité de soudure

Les robinets à tournant sphérique haute pression sont utilisés dans les secteurs où le fluide est stocké en grandes quantités et utilisé en fonction des besoins, comme les parcs aquatiques, les usines de distribution d'eau et les industries chimiques.

Agréments

Pour certaines applications, des autorisations sont souhaitées ou requises. L'eau potable et le gaz sont les plus courants. Choisir un robinet à boisseau sphérique certifié, c'est s'assurer que le produit répond à d'importantes exigences en matière de sécurité.

Eau potable

Ces vannes à bille conviennent aux applications d'eau potable et sont homologuées WRAS, KIWA ou DVGW. S'ils sont utilisés avec un réservoir d'eau, ils fonctionnent souvent en liaison avec un interrupteur à flotteur pour contrôler le niveau d'eau.

Gaz

Ces vannes à bille sont approuvées pour les appareils à gaz.

FAQ

Quand un robinet à boisseau sphérique est-il ouvert ?

Un robinet à boisseau sphérique est ouvert lorsque la poignée est en ligne avec le tuyau et fermé lorsque le robinet est perpendiculaire au tuyau. Il suffit de les faire pivoter de 90 degrés.

Qu'est-ce qu'un robinet à boisseau sphérique ?

Un robinet à bille est un robinet d'arrêt qui contrôle le débit d'un liquide ou d'un gaz au moyen d'une bille rotative dotée d'un alésage. Ils peuvent être actionnés par une poignée ou automatisés à l'aide d'un actionneur électrique ou pneumatique.

Comment installer un robinet à boisseau sphérique ?

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

Les robinets à tournant sphérique peuvent-ils être défectueux ?

Oui, un robinet à boisseau sphérique peut tomber en panne. Les défaillances les plus courantes sont un joint endommagé (la vanne n'est pas étanche à 100 %) ou des débris qui pénètrent dans la vanne (la vanne ne bouge pas).

À quoi peut servir un robinet à boisseau sphérique ?

Un robinet à boisseau sphérique peut être utilisé à la fois comme vanne d'arrêt et comme vanne de contrôle 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 soupape forgée ?

Les robinets à tournant sphérique forgés sont créés en façonnant les alliages et les métaux sous leur forme solide. Les métaux et les alliages sont pliés par chauffage ou à l'aide d'outils de taille industrielle qui exercent une force de compression pour plier les matériaux.