Vannes à bille - Comment ils fonctionnent

Vannes à bille - Comment ils fonctionnent

Vue en coupe du robinet à bille

Figure 1 : Vue en coupe du robinet à bille

Un robinet à bille est une vanne 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 boule d'un quart de tour (90 degrés) autour de son axe, le fluide peut passer ou est bloqué. Elles se caractérisent par une longue durée de vie et assurent une étanchéité fiable sur toute la durée de vie, même lorsque la vanne n'est pas utilisée pendant une longue période. C'est pourquoi ils sont plus populaires comme robinet d'arrêt que, par exemple, le robinet-vanne. Pour une comparaison complète, lisez notre article sur le robinet-vanne et le robinet à boisseau sphérique. Les vannes à bille sont plus résistantes aux milieux contaminés que la plupart des autres types de vannes.

Dans des versions spéciales, les vannes à bille sont également utilisées comme vanne de régulation. Cette application est moins courante en raison de la précision relativement limitée du contrôle du débit par rapport aux autres types de vannes de régulation. Cependant, la valve offre également certains avantages à cet égard. Par exemple, il assure toujours une étanchéité fiable, même dans le cas de médias sales. La figure 1 montre une vue en coupe d'une vanne à bille.

Table des matières

Types courants de robinets à bille

Standard (fileté)

Les robinets à boisseau sphérique standard se composent d'un boîtier, de sièges, d'un boisseau sphérique et d'un levier pour la rotation du boisseau. Elles 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 existent dans de nombreuses variantes : avec des homologations pour des milieux ou des applications spécifiques, des mini-vannes à bille, des vannes à bille coudées, des vannes à bille ISO-top, avec une crépine intégrée 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 pour la pression et la température.

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

Hydraulique

Les robinets à bille 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 une pression de fonctionnement élevée. Les sièges de ces vannes sont fabriqués en polyoxyméthylène (POM), qui convient aux applications à haute pression et à basse température. La pression de fonctionnement maximale des vannes à bille hydrauliques dépasse 500 bars, tandis que la température maximale atteint 80°C.

À bride

Les robinets à bille à brides se caractérisent par leur type de raccordement. Les orifices sont reliés à un système de tuyauterie par des 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 vannes à boisseau sphérique sont conçues avec deux, trois ou quatre orifices, elles peuvent être approuvées pour des milieux spécifiques, avoir un sommet ISO et tout ce qu'une vanne quart de tour standard peut avoir. Ils sont généralement fabriqués en acier inoxydable, en acier ou en fonte.

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

Ventilé

Les robinets à boisseau sphérique ventilés ont pratiquement la même apparence que les robinets à boisseau sphérique à deux voies standard en ce qui concerne leur conception. La principale différence est que l'orifice de sortie évacue l'air 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 avec l'orifice de sortie et libèrent la pression. Ceci est particulièrement utile dans les systèmes d'air comprimé où la dépressurisation permet d'obtenir un environnement de travail plus sûr. Intuitivement, ces vannes ressemblent à des vannes à bille à 2 voies alors qu'en fait, elles sont à 3/2 voies en raison du petit trou pour l'évacuation.

Robinets à bille forgés

Les robinets à bille forgés sont créés en façonnant les alliages et les métaux alors qu'ils sont encore sous leur forme solide. Les métaux et alliages sont pliés par chauffage ou à l'aide d'outils de taille industrielle qui appliquent des forces de compression pour plier les matériaux. Les robinets à boisseau sphérique forgés sont mieux adaptés aux applications industrielles qui requièrent des températures, des pressions et d'autres conditions sévères. Des matériaux comme le laiton et l'acier inoxydable peuvent être utilisés pour construire des robinets à bille forgés. Au cours du 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 à forger.

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 voulue. Pour les vannes à bille de plus grande taille, il est nécessaire de souder différents composants ensemble. Les vannes peuvent également être recouvertes de revêtements spécialisés en fonction des besoins spécifiques.

Avantages du robinet à bille forgé

  • Les vannes à bille forgées sont solides et durables, et ces vannes peuvent être utilisées dans des situations particulièrement exigeantes impliquant des températures et des pressions élevées.
  • Le processus de forgeage réduit la susceptibilité du robinet à boisseau sphérique à des problèmes tels que la porosité, la fissuration et le rétrécissement.
  • Les robinets à boisseau sphérique forgé peuvent s'adapter très rapidement aux changements de température. Par conséquent, ces robinets sont adaptés à un fonctionnement dans de multiples environnements.
  • Faible besoin d'entretien

Principe de fonctionnement du robinet à bille

Schéma d'une vanne à bille

Figure 2 : Schéma d'une vanne à bille

Pour comprendre le principe de fonctionnement d'un robinet à boisseau sphérique, il est important de connaître les 5 principales pièces du robinet et les 2 différents types de fonctionnement. Les 5 principaux composants sont visibles dans le diagramme de la vanne à bille de la figure 2. La tige de la vanne (1) est reliée à la boule (4) et est actionnée manuellement ou automatiquement (électriquement ou pneumatiquement). La bille est soutenue et scellée par le siège de la vanne à bille (5) et des joints toriques (2) autour de la tige de la vanne. Elles se trouvent toutes à l'intérieur du boîtier de la vanne (3). La boule est traversée par 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'alésage est soit ouvert à l'écoulement, permettant au fluide de passer, soit fermé pour empêcher l'écoulement du fluide. La fonction du circuit de la vanne, l'assemblage du boîtier, la conception de la bille et les types d'opération ont tous un impact sur le fonctionnement des vannes à bille et sont présentés ci-dessous.

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 boisseau sphérique sont à deux voies et sont actionnés manuellement à l'aide d'un levier. Le levier est en ligne avec le tuyau lorsque la vanne est ouverte. En position fermée, la poignée est perpendiculaire au tuyau. Le sens d'écoulement du robinet à boisseau sphérique est simplement de l'entrée vers la sortie pour un robinet à 2 voies. Les robinets à boisseau sphérique à commande manuelle peuvent être fermés rapidement et il existe donc un risque de coup de bélier avec des fluides à écoulement rapide. Certains robinets à bille sont équipés d'une transmission. Les vannes à 3 voies ont un alésage en forme de L ou de T, ce qui influe sur la fonction du circuit (sens du débit). Ceci est illustré par la figure 3. Il est ainsi possible de réaliser diverses fonctions du circuit, comme la distribution ou le mélange des flux.

Exemple d'une vanne à bille à 3 voiesfonctions du circuit pour un alésage en T et un alésage en L

Figure 3 : Exemple d'un robinet à boisseau sphérique à 3 voies et des fonctions du circuit pour un alésage en T et un alésage en L.

Assemblage du boîtier

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

  • en une partie: Il s'agit de la variante la moins chère. Les deux parties qui entourent la boule sont pressées ou soudées. Les vannes ne peuvent pas être ouvertes pour le nettoyage ou l'entretien. Ce type est généralement utilisé pour les 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. La vanne doit être complètement retirée du tuyau afin de séparer les deux parties.
  • Trois pièces : Les valves plus chères ont souvent trois pièces. Les pièces sont généralement assemblées par des boulons. L'avantage de ce mode de réalisation est que la vanne peut être entretenue sans qu'il soit nécessaire de la retirer entièrement de la canalisation.

Conception de la balle

La conception la plus courante est celle de la "boule flottante". La bille est suspendue dans le milieu et maintenue en place par deux bagues d'étanchéité. Certaines vannes de haute qualité sont conçues avec une bille 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 bille ont une bille flottante. La bille est soutenue par les sièges de la vanne.
  • Tourillon : Les vannes de grand diamètre et à haute pression de fonctionnement (par exemple DN >100mm et 30 bar) ont souvent une conception à tourillon. La boule est soutenue 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 traversant la boule peut avoir différents profils tels qu'un alésage complet, un alésage réduit ou une forme en V.

  • Alésage réduit : La plupart des robinets à bille ont un alésage réduit. Par conséquent, la vanne introduit des pertes par frottement dans le système. Ces pertes sont encore relativement faibles par rapport aux autres types de vannes. Les robinets à bille d'une seule pièce sont presque toujours à passage réduit.
  • Alésage complet: Les vannes à passage intégral 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 quart de tour standard à passage réduit. Le coût est donc légèrement plus élevé, et pour de nombreuses applications, cela n'est pas nécessaire. Ils sont également appelés robinets à bille à passage intégral.
  • En forme de V : Le trou de la bille ou du 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 boule. En optimisant le profil, on peut s'approcher d'une caractéristique d'écoulement linéaire.

Pour en savoir plus sur la façon de faire le bon choix pour votre application, lisez notre article technique sur la sélection des vannes à bille!

Poignée de vanne à bille

La poignée est reliée à la tige de la vanne (figure 2 numéro 1) et est capable de tourner la vanne de la position ouverte ou 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. Il est important de noter le sens de la poignée pour savoir visuellement si la vanne est ouverte ou fermée. Il existe d'autres types de poignées de robinet à boisseau sphérique, comme les poignées verrouillables ou les manivelles de robinet 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 poignée de robinet à boisseau sphérique peut être nécessaire. Si votre poignée se casse, est mal placée ou si vous convertissez un robinet à boisseau sphérique automatique en un robinet manuel, vous pouvez acheter des remplacements de poignée de robinet à boisseau sphérique.

Robinets 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. Le raccordement à bride le plus courant entre la vanne et l'actionneur est la norme ISO 5211. La figure 4 montre un exemple de plateau ISO 5211 prêt à être connecté à un actionneur. En utilisant un actionneur, vous pouvez contrôler votre vanne à bille à distance ou par le biais d'un contrôleur afin qu'elle puisse être utilisée comme fermeture automatique. Une vanne à bille actionnée par ressort, également appelée vanne à ressort, utilise un ressort pour ouvrir/fermer la vanne dans un scénario de coupure de courant et un actionneur pour la maintenir en position ouverte/fermée. Ils sont utilisés pour des applications d'économie d'énergie ou pour des raisons de sécurité.

Robinets à bille pneumatiquesRobinets à bille électriquesRobinets à bille ISO-top

Figure 4 : Robinet à bille pneumatique (gauche), robinet à bille électrique (milieu), robinet à bille ISO-top (droite)

Il existe plusieurs façons de contrôler l'actionneur :

  • Une commande à 2 points (également appelée 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 sous tension, la vanne s'ouvre électriquement. Si le fil de commande n'est pas alimenté, la vanne se ferme (électriquement ou au moyen d'un ressort).
  • Une commande à 3 points utilise deux fils de commande : un pour faire tourner la boule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et un pour la faire tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. En fonction de l'application, il est possible de choisir la commande la plus appropriée.

Certains actionneurs électriques peuvent également fournir une commande de modulation, qui positionnera la vanne à bille entre 0 et 100 % d'ouverture/fermeture. Pour plus d'informations sur le fonctionnement automatique, lisez notre article sur l'installation de vannes à bille à commande électrique.

Matériaux du boîtier de la vanne à bille

Les matériaux de boîtier les plus courants sont le laiton, l'acier inoxydable et le PVC (polychlorure de vinyle). La boule 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 dans d'autres matériaux synthétiques ou en métal. Vous trouverez de plus amples informations à ce sujet sur la page : résistance chimique des matériaux.

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, le pétrole, l'air et de nombreux autres milieux. 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 retiré de l'alliage. Cela crée une structure poreuse dont la résistance mécanique est fortement diminuée. Un boîtier en laiton est idéal pour une vanne à bille à air. Consultez nos vannes manuelles à bille en laiton à 2 voies ou à bille en laiton à 3 voies.

Vanne à bille en laiton

Figure 5 : Vanne à bille en laiton

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 présentant 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 manœuvre plus élevé que les vannes en laiton ou en PVC, par exemple. Cela doit être pris en compte lorsqu'une vanne en acier inoxydable est actionnée par un actionneur électrique ou pneumatique. Consultez nos vannes manuelles à bille en acier inoxydable à 2 voies ou nos vannes à bille en acier inoxydable à 3 voies.

Vanne à bille en acier inoxydable

Figure 6 : Vanne à bille en acier inoxydable

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 résiste à la plupart des solutions salines, des acides, des bases et des 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 solide que le laiton ou l'acier inoxydable, c'est pourquoi les vannes à bille en PVC ont une pression nominale inférieure. Un article plus approfondi sur les vannes à bille en PVC peut être lu ici.

Vanne à bille en PVC

Figure 7 : Vanne à bille en PVC

Robinet à bille en laiton, acier inoxydable ou PVC

Matériau Avantages Disadvantages
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 boule.
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 bille et d'une vanne papillon, lisez notre article de comparaison des vannes papillon et à bille.

Joints et joints toriques

La plupart des sièges de soupape sont en PTFE (téflon). PTFE est l'abréviation de PolyTetraFluorEthylène. Ce matériau présente une très bonne résistance chimique et un point de fusion élevé (~327°C). En outre, le coefficient de friction est extrêmement faible. Un petit inconvénient du PTFE est que le matériau présente un phénomène de 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 godet. D'autres matériaux d'étanchéité populaires sont le PTFE renforcé et le polyamide (Nylon). Plus le matériau du siège de 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 en cas de températures très élevées, on utilise des sièges de soupape en métal ou en céramique.

Robinets à bille haute pression

Vanne à bille haute pression

Figure 8 : Vanne à bille haute pression

Comme son nom l'indique, une vanne à bille haute pression fonctionne sous une pression élevée du fluide, environ 500 à 700 bars. Lorsque la taille de la valve augmente, la pression qu'elle peut supporter diminue, et vice versa. Ces vannes sont très durables et sont utilisées dans les systèmes de tuyauterie avec des raccords à la même charge de pression. Les vannes à bille haute pression de type manuel peuvent être actionnées en tournant le levier de 90 degrés. Les vannes à bille 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. Le duplex ou d'autres matériaux hautement résilients doivent être utilisés pour construire les pièces de la vanne telles que la tige, la boule 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 vannes à bille haute pression sont disponibles dans les types de raccordement suivants :

  • Filetage de type British standard pipe parallel (BSPP)
  • Filetage de tuyau national (NPT) fileté
  • Type de compression (DIN 2353/ISO 8434-1)
  • Extrémité de soudage

Les vannes à bille 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.

Agréments

Pour certaines applications, des approbations 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 de sécurité.

Eau potable

Ces robinets à boisseau sphérique conviennent aux applications d'eau potable et sont homologués WRAS, KIWA ou DVGW. S'ils sont utilisés avec un réservoir d'eau, ils fonctionnent souvent en liaison avec un interrupteur à flotteur pour surveiller le niveau d'eau.

Approbations courantes des vannes à bille pour l'eau potable DVGW, KIWA, WRAS

Figure 9 : Homologations courantes des robinets à bille pour l'eau potable (DVGW, KIWA, WRAS)

Gaz

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

Homologations courantes des robinets à bille pour gaz DVGW, GASTEC, EN-331

Figure 10 : Homologations courantes des robinets à bille pour le gaz (DVGW, GASTEC, EN-331)

FAQ

Quand une vanne à bille est-elle ouverte ?

Un robinet à bille 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'une vanne à bille ?

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

Comment installer une vanne à bille ?

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

Les vannes à bille peuvent-elles tomber en panne ?

Oui, une vanne à bille peut tomber en panne. Les types de défaillance les plus courants sont un joint endommagé (la valve n'est pas étanche à 100%) ou des débris qui pénètrent dans la valve (la valve ne bouge pas).

À quoi peut servir un robinet à boisseau sphérique ?

Une vanne à bille 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 réalisé en forme de V.

Qu'est-ce qu'une soupape forgée ?

Les robinets à bille forgés sont créés par la mise en forme des alliages et des métaux sous leur forme solide. Les métaux et alliages sont pliés par chauffage ou à l'aide d'outils de taille industrielle qui appliquent des forces de compression pour plier les matériaux.