Les différents types de vannes et leurs fonctions
Les vannes industrielles : fonctions de base et types de vannes
Les systèmes fluides de petit diamètre contribuent fortement à la productivité de nombreuses entreprises industrielles dans le monde entier. Or, les vannes sont des composants essentiels au fonctionnement de ces systèmes.
Il existe de nombreux types de vannes qui contrôlent le débit de différentes manières. Il est donc important pour les opérateurs de systèmes fluides de connaître les différents types de vannes disponibles ainsi que leurs fonctions pour s’assurer de choisir des vannes adaptées à une application donnée.
Pour faire le bon choix, les concepteurs et les opérateurs de systèmes fluides doivent notamment se poser les questions suivantes : « Ai-je besoin d’une vanne pour arrêter et démarrer l’écoulement du fluide ? Pour contrôler le sens de l’écoulement ? Pour réguler le débit ? Pour protéger le système des surpressions ? » Ce sont les réponses à ces questions qui vont déterminer le choix des vannes à utiliser. À partir de là, le concepteur ou l’opérateur pourra examiner de plus près les critères de choix pour faire en sorte de sélectionner des vannes dont la taille, les matériaux et les niveaux de performance sont adaptés à l’application (des détails supplémentaires sur ce point sont donnés à la fin de l’article).
Dans cet article, nous allons commencer par les bases pour bien choisir une vanne : connaître les différents types de vannes utilisées dans les systèmes fluides industriels afin de pouvoir trouver la vanne dont la fonction correspond à votre application.
Comprendre les bases du fonctionnement d’une vanne
Qu’est-ce qu’une vanne ? Une vanne est un composant conçu pour contrôler l’écoulement (c.-à-d. le déplacement continu et régulier) d’un liquide ou d’un gaz afin de s’adapter au mieux aux conditions d’exploitation idéales d’un système fluide. Une vanne peut ainsi arrêter, limiter ou rediriger l’écoulement. Lorsqu’un liquide ou un gaz circule dans un système fluide, il se déplace d’un point où la pression est élevée vers un point où la pression est moindre. En général, l’écoulement se mesure à l’aide d’un débitmètre et s’exprime sous la forme d’une distance parcourue ou d’un volume déplacé par unité de temps (p. ex. en mètres par seconde, en gallons par jour, en litres par minute, etc.).
Comment fonctionnent les vannes ? Le débit du fluide dans une vanne dépend de facteurs comme le diamètre du raccord ou le passage d’écoulement de la vanne. Pour aider à se faire une idée de la capacité d’une vanne à contrôler l’écoulement, les fabricants indiquent généralement le coefficient de débit, ou Cv, de la vanne. Un Cv élevé correspond à un débit élevé. Toutefois, un Cv élevé n’est pas forcément intéressant. Selon le type de vanne et l’application, certaines vannes peuvent avoir un Cv proche de zéro. Vous pouvez déterminer le Cv dont vous avez besoin, en fonction de la pression, du débit, de la température et du fluide utilisé dans votre système, en utilisant notre calculateur de Cv.
Comment les vannes sont-elles classées ?
Les principaux types de vannes à connaître, qui sont utilisés dans les systèmes fluides industriels, sont au nombre de cinq, chaque type correspondant à une fonction particulière : tout ou rien, contrôle du débit, contrôle directionnel, protection contre les surpressions et protection contre les sur-débits. À chaque type correspond un symbole standard que l’on retrouve souvent dans les schémas de tuyauterie et d’instrumentation (P&ID). Il est utile de maîtriser à la fois la classification des vannes et les symboles correspondant à chaque catégorie afin de pouvoir rapidement faire le lien entre les symboles utilisés dans un schéma P&ID et la fonction des vannes représentées.
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Tout ou rien. Il s’agit de la fonction la plus simple. Les vannes tout ou rien démarrent ou arrêtent l’écoulement du fluide. Malgré la fonction basique de cette vanne, il existe de nombreux types de vannes tout ou rien. Voici quelques exemples :
- Vannes à boisseau sphérique. Les vannes à boisseau sphérique permettent d’arrêter complètement l’écoulement du fluide à l’aide d’une poignée qui fait tourner une bille située à l’intérieur de la vanne, laquelle va bloquer le fluide ou le laisser traverser la vanne.
- Vannes à boisseau cylindrique. Les vannes à boisseau cylindrique fonctionnent de la même manière, sans la bille. On les actionne à l’aide d’une poignée qui fait tourner un obturateur situé à l’intérieur de la vanne, lequel va bloquer ou laisser passer le fluide.
- Vannes à soufflet. Les vannes à soufflet comportent une tige cylindrique plus grande équipée d’un soufflet qui se dilate ou se contracte pour limiter le débit à un niveau précis. On l’actionne en tournant une poignée, ce qui a pour effet de pousser un actionneur sur le soufflet.
- Vannes à membrane. Les vannes à membrane fonctionnent de la même manière que les vannes à soufflet, mais au lieu d’appuyer sur un soufflet, l’actionneur appuie sur une membrane flexible pour limiter le débit.
Les vannes tout ou rien peuvent jouer un rôle essentiel dans la sécurité des systèmes fluides. De nombreux process fonctionnent à des pressions et à des températures élevées et certains fluides peuvent être dangereux. Il est donc capital de pouvoir arrêter l’écoulement en cas de fuite afin d’éviter tout risque pour les opérateurs. Les vannes d’arrêt de sécurité peuvent aider les opérateurs à couper rapidement l’écoulement en cas de fuite. Sur un schéma P&ID, on reconnaît le symbole d’une vanne tout ou rien (ou d’une vanne à boisseau sphérique) à sa forme en nœud papillon.
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Contrôle du débit. Ces vannes permettent de simplement réguler ou de régler finement le débit du fluide dans un système. Les vannes à pointeau sont le plus souvent utilisées pour contrôler ou réguler le débit. On actionne ces vannes en tournant une poignée pour commander précisément un actionneur dans la tige dont l’extrémité en pointeau bloque l’écoulement lorsqu’il est abaissé.
Comme les vannes à soufflet ou à membrane, les vannes à pointeau peuvent, si nécessaire, assurer une fonction tout ou rien, même si leur fonction première reste le contrôle du débit. Ces débits seront déterminés par la taille de la section de passage, le type de tige et la position de la tige. Comme vous pouvez le voir, le symbole d’une vanne de contrôle du débit (ou d’une vanne à pointeau) dans un schéma P&ID ressemble à celui d’une vanne tout ou rien, mais avec un triangle supplémentaire qui pointe vers le bas, indiquant la fonction de contrôle du débit de la vanne.
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Contrôle directionnel. Cette fonction vise à s’assurer que le fluide s’écoule dans le sens souhaité. Une vanne de ce type peut changer le sens de l’écoulement dans le système. Les clapets anti-retour et les vannes à boisseau sphérique à orifices multiples sont couramment utilisés pour le contrôle directionnel. Les clapets anti-retour empêchent le refoulement, ce qui garantit que le fluide va toujours s’écouler dans le même sens. Les vannes à boisseau sphérique à orifices multiples peuvent assurer une fonction tout ou rien comme les autres vannes de ce type, mais elles permettent en plus à un opérateur de diriger l’écoulement du fluide dans différentes directions selon la position dans laquelle se trouve la poignée.
Il est important de noter que, si la fonction des vannes directionnelles lorsqu’elles modifient l’écoulement est une fonction tout ou rien, elles ne limitent pas le débit. On reconnaîtra une vanne directionnelle (ou un clapet anti-retour) dans un schéma P&ID en recherchant ce symbole montrant une flèche inclinée vers le bas entre deux traits.
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Protection contre les surpressions. Cette fonction empêche la pression d’augmenter au-delà d’une limite fixée. Le plus souvent, elle est assurée par des soupapes et des disques de rupture. Les dispositifs de décompression sont très importants dans tout système pressurisé dans la mesure où ils protègent le système des risques de surpression. Les soupapes peuvent être étalonnées pour s’ouvrir automatiquement à un niveau de pression prédéterminé ou progressivement lorsque la pression augmente. Des purgeurs
et des vannes de purge sont également utilisés pour purger, évacuer ou mettre à l’atmosphère le fluide, afin de pouvoir réaliser des opérations de maintenance ou faire fonctionner le système en toute sécurité.
Les vannes de protection contre les surpressions contribuent à la sécurité de l’usine tout en permettant de continuer la production en cas de surpression. Dans un schéma P&ID, on reconnaît le symbole d’une vanne de protection contre les surpressions (ou d’une soupape, etc.) aux deux triangles qui se croisent, surmontés d’une structure en forme d’antenne.
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Protection contre les sur-débits. Les clapets de sur-débit peuvent également contribuer à la sécurité du système dans la mesure où ils aident à contenir l’écoulement incontrôlé du fluide en s’activant lorsque le débit qui les traverse dépasse une valeur prédéterminée. En cas de débit excessif en aval, le clapet se déclenche en se déplaçant complètement vers l’avant, ce qui a pour effet d’arrêter en grande partie l’écoulement afin de limiter les échappements de fluide. Un clapet de sur-débit reprend sa position lorsque la pression s’équilibre.
Ces clapets permettent de se passer d’un mécanisme de dérivation complexe et réduisent le temps consacré à la maintenance. Dans un schéma P&ID, les clapets de sur-débit sont représentés par un rectangle avec un étranglement d’un côté et un cercle au milieu.
Apprendre à choisir le bon type de vanne
Avec une meilleure connaissance de l’écoulement et de la manière dont les différents types de vannes peuvent le contrôler, vous serez mieux armé(e) pour choisir des vannes adaptées à vos systèmes fluides. Cet article n’est toutefois qu’une introduction. Pour aller plus loin, nous vous suggérons de lire cet autre article afin de découvrir plus en détail la méthode qui a fait ses preuves pour choisir des vannes industrielles : la méthode STAMPED.
Sinon, la formation de base Swagelok® sur les vannes est aussi un bon moyen pour apprendre comment choisir, identifier et réparer des vannes. Par ailleurs, nous proposons également de nombreuses autres formations dispensées par des formateurs certifiés Swagelok, qui vous aideront à acquérir les connaissances et les techniques nécessaires pour construire et exploiter des systèmes fluides ultraperformants. Découvrez les formations proposées et les sujets traités en cliquant sur le lien ci-dessous.
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