Vannes Iii

6. La vanne et l'écoulement La fonction FC1 « Travailler dans de bonnes conditions » est ici développée en : FC11 : « Maîtriser un écoulement liquide » FC12 : « Maîtriser un écoulement gazeux » FC13 : « Maîtriser un écoulement biphasique » 6.1. Maîtriser un écoulement liquide : le phénomène de cavitation 6.1.1. Description du phénomène de cavitation ... Le propre d'une vanne est de provoquer une chute de pression variable pour gérer le débit de l'écoulement fluide la traversant. Une vanne est assimilable à une restriction variable placée sur une conduite droite.

La chute de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne n'est pas linéaire. La pression du liquide passe par une valeur minimale pvc dans la « vena contracta » lieu où la section de l'écoulement est la plus faible et la vitesse la plus grande. Écoulement normal la pression du liquide dans la vanne reste toujours supérieure à la pression de vaporisation pv. • Cavitation point A : apparition de bulles de vapeur au sein du liquide car la pression du liquide devient inférieure à pv. point I : implosion des bulles car la pression du liquide redevient supérieure à pv ==> cavitation • Vaporisation la pression aval p2 est inférieure à pv donc le liquide se vaporise en partie. •

6.1.2. ... et ses conséquences La cavitation provoque des ondes de pression pouvant être de grande intensité (jusqu'à 7000 bar). Cela provoque : – des arrachements de matière sur les surfaces du clapet et du siège, du corps, ... voire une rupture ; – des vibrations et du bruit ; – la saturation de l'écoulement : la capacité de la vanne est réduite.

Courbe débit / perte de charge dans la vanne

 Kc⋅ p1− pvc 

F L⋅ p1− pvc

 p

Les conséquences qui en découlent à court ou moyen terme sont : – une perte de performance ; – une Δp fluctuante ; – des coûts de maintenance élevés. À la vaporisation, on obtient un mélange liquide / vapeur dont la vitesse est grande : jusqu'à la vitesse du son. Le bruit peut alors devenir insoutenable et l'érosion des matériaux environnants importante (vanne et conduite aval). 6.1.3. Comment prévoir le régime critique ... Dans le cas général, il faut vérifier que la perte de charge dans la vanne soit inférieure à la perte de charge critique : pv 2  p pcritique avec et  p critique=F L⋅ p1−F F⋅p v  F F =0,96−0,28 pc FL coefficient de débit critique fourni par le constructeur de la vanne (voir tableau) FF facteur critique de rapport de pression du liquide pv pression de vapeur saturante à la température du fluide (bar abs) pc pression au point critique thermodynamique (bar abs)



Si l'on veut éviter toute cavitation, il faut alors vérifier  p pdébut cavitation=Kc⋅ p 1− p v  KC coefficient de début de cavitation fourni par le constructeur de la vanne (s'il n'est pas fourni prendre KC = FL3) 6.1.4. ... et s'en prévenir ? La ∆p à travers la vanne choisie et la température du liquide sont parfois tels qu'il n'est pas toujours possible d'éviter la cavitation. Malgré tout quelques solutions sont possibles pour la faire disparaître. •

Augmenter le facteur de débit critique FL : – changer le sens de passage dans la vanne – changer l'obturateur – changer de vanne

•

Éloigner pvc de pv : – augmenter p1 et p2 avec une pompe plus puissante sur le circuit (coûteux) – augmenter p1 et p2 en plaçant la vanne le plus bas possible sur le circuit pour agrandir la colonne de fluide – diminuer la Δp dans la vanne en modifiant l'installation (souvent difficile) – diminuer pv en refroidissant le liquide (coûteux)

•

Fractionner la Δp – remplacer la vanne par plusieurs vannes en série – utiliser un obturateur anti-cavitation

6.2. Maîtriser un écoulement gazeux : l'écoulement sonique 6.2.1. Description du phénomène et ses conséquences La chute de pression dans une vanne entraîne pour un fluide compressible une baisse de masse volumique. Pour conserver un débit massique constant aux mêmes diamètres amont et aval, la vitesse du gaz croît. Comme pour les fluides incompressibles, on arrive à un régime critique : le débit n'augmente plus même si la chute de pression augmente lorsque la vitesse du fluide devient sonique dans la vena contracta. Contrairement à la cavitation, ce régime critique n'est pas destructeur hormis la saturation du débit, les vibrations et l'érosion qu'il engendre. Cependant il faudra vérifier que la vitesse en sortie de vanne ainsi que le bruit ne dépassent pas les seuils autorisés. 6.2.2. Comment prévoir le régime critique Dans le cas général, il faut vérifier que la perte de charge dans la vanne soit inférieure à la perte de charge critique :   p critique= xT⋅F ⋅p1  p pcritique F= avec et 1,4 xT Facteur de rapport de pression différentielle fourni par le constructeur (voir tableau). Fγ Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs massiques. Remarque :

xT et FL sont en corrélation :

x T ≈0,84×F L

2

6.3. Maîtriser un écoulement biphasique Il n'y a pas à ce jour de norme définie pour ce cas de figure. Il faut alors utiliser les méthodes de calcul des constructeurs de vanne.

6.4. Résister à l'écoulement : les vitesses limites 6.4.1. Vitesses limites pour liquides ● Les vitesses limites habituelles dans les conduites doivent être respectées (cours « transport des liquides »). ●

On limite la vitesse d'entrée U1 dans la vanne pour prévenir les problèmes d'érosion surtout en cas de convergent :

U 1=354×

qv d

2 v

U 1 max

Avec qv dv

débit volumique DN de la vanne

m3/h mm

U 1 max =1×2×3×10 m/ s les coefficients α ci-contre

Liquide

Chargé α1 de 0,6

Propre à1

Corps

Acier Inox ou alliage nickel α2 de 0,75 à 1

Utilisation Continue Intermittente α3 de 1 à 1,4 ...

On vérifie aussi la vitesse au niveau de l'obturateur : Δp chute de pression p U obt.=318× U obt. max ρ1 masse volumique du liquide à T1  ●



Si Si

Uobt. Max > 20 m/s Uobt. Max > 60 m/s

alors alors

bar kg/m3

prendre un obturateur multi-étagé ou anti-cavitation il faudra une géométrie (corps, obturateur, ...) spéciale (éviter)

6.4.2. Vitesses limites pour gaz Les gaz étant compressibles, la chute de pression au travers d'une vanne engendre une détente à sa sortie. Cette détente provoque une augmentation de vitesse. Cette vitesse ne doit en aucun cas dépasser la vitesse du son sinon l'onde de choc produite serait très bruyante et dommageable. ●

On limite le nombre de Mach Ma (rapport de la vitesse de sortie sur la vitesse du son) pour prévenir toute onde de choc provoquant bruit et dommage :

Ma=0,0135×

qv p 2×d

2

×

M ×T Ma max 

Avec qv débit volumique m3/h p2 pression sortie bar abs dv DN de la vanne mm M masse molaire g/mol T température K γ rapport chaleur massique Ma max=1× 2×3×0,5

Gaz Vapeur

Chargé Saturée α1 de 0,8

Propre Surchauffée à1

Corps

Acier Inox ou alliage nickel α2 de 0,75 à 1

Utilisation Continue Intermittente α3 de 1 à 1,4 ... suivant fréquence

6.5. Stopper l'écoulement : débit de fuite Les vannes de régulation ne sont généralement pas destinées à stopper complètement un écoulement. Même fermées, elles fuient souvent au niveau de l'obturateur. Ce « débit de fuite » fait l'objet d'une norme. Les vannes sont classées en 6 classes : de I (accord client / fournisseur), II (débit de fuite < 0,5 % débit nominal) , ... jusqu'à VI. 6.6. Calcul du Cv requis Pour améliorer le calcul du Cv requis permettant de maîtriser l'écoulement, on introduit certains coefficients correcteurs : voir le tableau récapitulatif ou norme CEI 534-2

6.7. Tableau récapitulatif Écoulement d liquide turbulent Cv=1,16⋅qv⋅  p



●

p1 FL FF pv pc Écoulement liquide laminaire

d = ρ1 / ρ0 : densité par rapport à l'eau à 15°C ρ0 : masse volumique de l'eau à 15°C kg/m3 ρ1 : masse volumique du liquide à T1 kg/m3 Δp : chute de pression bar qv : débit volumique m3/h

écoulements critiques si  p pcritique 2 alors remplacer Δp par  p critique=F L⋅ p1−F F⋅p v 

F F =0,96−0,28



pv pc

pression amont bar abs coefficient de débit critique (voir tableau page suivante ou constructeur) facteur critique de rapport de pression du liquide pression de vapeur saturante à la température du fluide bar abs pression au point critique thermodynamique bar abs

Le Cv sera divisé par un facteur FR calculé itérativement à partir du nombre de Reynolds, du Cv et du type de vanne (facteurs FL et Fd). Voir norme ou documents constructeurs

Écoulement gazeux



1,16⋅qv d Cv= ⋅ Y p

Cv=

●

p1 xT γ Fγ

qm 27,3⋅Y⋅  p⋅1

d = ρ1 / ρ0 : densité par rapport à l'eau à 15°C ρ0 : masse volumique de l'eau à 15°C kg/m3 ρ1 : masse volumique du gaz à p1, T1 kg/m3 Δp : chute de pression bar qv : débit volumique à p1 et T1 m3/h qm : débit massique kg/h x p Y : facteur de détente Y =1− et x= 3 F  xT p1

écoulements critiques si  p pcritique alors remplacer Δp par  p critique= xT⋅F ⋅p1 et Y = 2/3 pression amont bar abs Facteur de rapport de pression différentielle (voir tableau page suivante ou constructeur) Rapport des chaleurs massiques Facteur de correction correspondant au rapport des chaleurs F =   1,4 massiques

Écoulement Le Cv sera divisé par un facteur FP dépendant des pertes de charges engendrée avec convergent par les convergent et divergent. / divergent Voir norme ou documents constructeurs Nota – –

l'indice 1 fait référence à l'entrée de vanne, le 2 à la sortie. la norme IEC 60534 et les différents constructeurs de vannes peuvent proposer des expressions du Cv différentes mais menant au même résultat.

TABLEAU DES FACTEURS FL, xT, Fd Type de vanne

Obturateur Clapet V port à 3 V Clapet V port à 4 V Clapet V port à 6 V

Vanne à soupape simple siège

Clapet tourné parabolique Cage avec 60 trous de même diamètre Cage avec 120 trous de même diamètre Cage à 4 lumières

Vanne à soupape double siège

Clapets V port Clapets tournés Clapet tourné parabolique

Vanne d'angle

Vanne micro-débit

Cage à 4 lumières Venturi Encoche en V Siège plat (course réduite) Aiguille conique Obturateur sphérique excentré

Vanne rotative Obturateur conique excentré Non excentré (70°) Vanne papillon (centrée)

Non excentré (60°) Disque dentelé (70°)

Vanne papillon (excentrée) Vanne à boisseau sphérique

À siège décalé (70°) Passage intégral Passage segmenté

Écoulement tendant à ouvrir ou fermer tendant à ouvrir ou fermer tendant à ouvrir ou fermer tendant à ouvrir tendant à fermer depuis intérieur ou extérieur depuis intérieur ou extérieur depuis intérieur ou extérieur arrivant entre les deux sièges dans les deux directions tendant à ouvrir tendant à fermer depuis intérieur depuis extérieur tendant à fermer tendant à ouvrir tendant à fermer tendant à ouvrir tendant à ouvrir tendant à fermer tendant à ouvrir tendant à fermer dans les deux directions dans les deux directions dans les deux directions dans les deux directions dans les deux directions dans les deux directions

FL

xT

Fd

0.9

0.70 0.48

0.9

0.70 0.41

0.9

0.70 0.30

0.9 0.8

0.72 0.46 0.55 1.00

0.9

0.68 0.13

0.9

0.68 0.09

0.9 0.75 0.41 0.85 0.70 0.41 0.9

0.75 0.28

0.85

0.70 0.32

0.9 0.72 0.8 0.65 0.9 0.65 0.85 0.60 0.5 0.20 0.98 0.84 0.85 0.70 0.95 0.84 0.85 0.60 0.68 0.40 0.77 0.54 0.79 0.55

0.46 1.00 0.41 0.41 1.00 0.70 0.30 0.42 0.42 0.44 0.44

0.62

0.35 0.57

0.70

0.42 0.50

0.67

0.38 0.30

0.67

0.35 0.57

0.74

0.42 0.99

0.60

0.30 0.98

7. La vanne et son environnement La fonction FC1 « S'adapter à l'environnement » est ici développée en : FC21 : « Raccorder à la conduite » FC22 : « Rendre accessible » FC23 : « Satisfaire aux normes environnementales » FC24 : « Résister au fluide » 7.1. Raccorder à la conduite 7.1.1. DN La taille des vannes est définie par le diamètre nominal DN normalisé comme les diamètres de conduites. Il faudra toujours choisir : ½ DNconduite ≤ DNvanne ≤ DNconduite 7.1.2. Convergent / divergent Si le DNvanne < DNconduite alors il faut placer en amont de la vanne un convergent, en aval un divergent. Dans ce cas, il faudra en tenir compte lors du dimensionnement de la vanne (facteur FP). 7.1.3. Raccordement conduite / vanne

voir cours « Transport des liquides » §1.2.3

7.1.4. Montage La vanne doit être placée si possible verticalement, servomoteur en haut. sans commande manuelle avec by-pass avec commande manuelle sans by-pass

(Ici la maintenance suppose un arrêt de production)

•

7.1.5. Emplacement sur le circuit Régulation de pression d'un liquide ou un gaz Si régulation de pression amont : placer la vanne en aval du capteur

Si régulation de pression aval (détente) : placer la vanne en amont du capteur

PC PT

•

PC PCV

PT

PCV

Régulation de débit sur liquide Installer la vanne en aval du capteur est généralement préférable en respectant les distances d'implantation du capteur de débit pour ne pas fausser la mesure.

FC FCV FT

Longueur droite amont

aval

Si la vanne est placée en amont du capteur, alors la mesure peut être faussée par : – l'écoulement perturbé en sortie de vanne ; – un risque de vaporisation ; – une longueur droite amont capteur mal respectée. •

FC FCV FT

Régulation de débit sur gaz Sur un gaz, la chute de pression dans la vanne entraîne une baisse de la masse volumique et donc pour un débit massique donné, la vitesse augmente en aval. Et donc la perte de charge dans le circuit aval aussi. Vanne montée en début de circuit

Vanne montée en fin de circuit

L'emplacement de la vanne détermine la Δp à prendre en compte pour le calcul de Cv. Dans le 2ème cas, la Δp est plus grande d'où un risque d'écoulement critique dans la vanne. 7.2. Rendre accessible Pour le montage bien sûr, mais aussi pour tout démontage ou entretien, la vanne doit être accessible sur un assez large périmètre à l'installateur et tout opérateur de maintenance. 7.3. Résister au fluide 7.3.1. Matériaux Le choix du ou des matériaux constitutifs de la vanne dépend de la nature du fluide, mais aussi de sa pression et sa température. L'érosion due au passage du fluide à grande vitesse est très souvent déterminante pour le choix des clapets et sièges de vanne. Se référer au constructeur de vanne en cas de doute. •

Matériaux les plus usuels pour le corps : – matières traditionnelle aptes au moulage : fonte ou bronze en perte de vitesse ; – aciers au carbone pour usage général (jusqu'à 400°C) ; – aciers inoxydables (bonne tenue à la corrosion, T >400°C ou T < -100°C) ;

– –

aciers alliés très durs résistant bien à l'érosion ; matériaux spéciaux tels que les alliage type « monel », « hastelloy », bronze, ... les métaux purs tels que le nickel, le titane, le tantale, ... les matières plastiques telles que le PTFE, ... les céramiques généralement utilisés pour leur résistance à la corrosion.

•

Matériaux les plus usuels pour siège et clapet : aciers inoxydables à fort pourcentage de chrome avec traitement de surface pour augmenter leur dureté.

•

Matériaux les plus usuels pour la garniture (presse-étoupe) :

PTFE ou graphite ;

7.3.2. Pression nominale PN Toute enveloppe sous pression (conduite, réservoir, corps de vanne, ...) doit avoir une épaisseur suffisante pour résister aux conditions de service. Remarque : la pression admissible diminue avec la température.

Exemple pour une vanne droite classique en acier inox (Z2 C N 18-10)

7.4. Satisfaire aux normes environnementales 7.4.1. Étanchéité de la vanne Pour des questions environnementales mais aussi économiques et de performance, la vanne ne doit pas fuir vers l'extérieur. Outre le raccordement à la conduite (§1) ou une fissure d'enveloppe (§3 choix PN), les risques de fuite se situent au niveau de tous les joints d'étanchéité statique de la vanne notamment entre le chapeau et le corps de vanne. Mais le point le plus sensible est le presse étoupe zone d'étanchéité dynamique entre la tige et le corps de vanne. Le presse étoupe est constitué d'un jeu de garniture écrasé par un ressort de façon à établir une pression garniture / tige et garniture / corps supérieure à la pression du fluide. La compression du ressort doit être généralement réglée à la main. En cas de conditions extrêmes, on utilise un soufflet métallique à la place du presse étoupe. Nota : l'étanchéité dynamique est plus facile à obtenir en rotation (vanne rotative) qu'en translation. 7.4.2. Bruit Le bruit émit par la vanne doit reste en deçà des normes de confort minimal des personnes à proximité (par exemple 85 dB pour une exposition permanente). De plus une vanne bruyante est une vanne qui travaille dans des conditions sévères ou de mauvaises conditions. Limiter les vitesses de fluide est un bon moyen de limiter le bruit. Cependant une étude plus approfondie peut être envisagée : voir norme CEI 534-8.

8. La vanne et la commande Les fonction FC3 « S'adapter à l'énergie » et FC4 « Recevoir le signal de commande » sont ici développée en : FC31 : « Convertir le signal de commande » FC41 : « Asservir la position de l'obturateur » FC42 & FC32 : « Sécuriser le processus » FC43 : « Partager le signal sur deux vannes » 8.1. Convertir le signal de commande Le signal issu du régulateur peut être de nature différente du signal accepté par le servomoteur : par exemple Yrégulateur = 4 .. 20 mA Yservomoteur = 200 .. 1000 mbar Dans ce cas, il faut utiliser un convertisseur i/p (courant / pression) 1 Fléau 2 Bobine mobile 3 Aimant permanent 6 Palette 7 Buse 8 Restriction primaire 9 Amplificateur de débit 10 Restriction de débit 8.2. Asservir la position de l'obturateur Le positionnement du clapet de vanne par rapport au siège est souvent perturbé comme on l'a vu précédemment par : – les frottements au niveau des guidages et étanchéités ; – la poussée variable du fluide sur le clapet ; – le vieillissement de la mécanique (ressort, membrane, ...). Pour améliorer la précision de la position du clapet, on va l'asservir avec un relais d'asservissement ou « positionneur ». Ym Énergie auxiliaire VANNE DE RÉGLAGE Y

Servomoteur

Convertisseur +

+

h

Robinet

- débit

+

Potentiomètre

Positionneur

Grandeur Réglante

H

Contacts

En plus d'apporter l'avantage de l'asservissement, le positionneur permet en plus de : – convertir le signal du régulateur (fonction convertisseur), on parle de positionneur pneumatique (entrée 0,2-1 bar / sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ou électro-pneumatique (entrée 4-20 mA / sortie 0,4-2 bar ou 0,6-3 bar ou ...) ; – diminuer le temps de réponse grâce à l'amplificateur de débit ; – inverser ou non le sens d'action de la vanne ;

modifier si nécessaire la caractéristique intrinsèque de la vanne (exemple positionneur à came) ; – partager l'étendue du signal sur deux vanne. Exemple de positionneur à équilibre de force –

Ce positionneur est basé sur le principe d’un mécanisme à équilibre de force   la pression d’un signal pneumatique appliquée sur un diaphragme est opposée à la force d’un ressort de contre-réaction.  À partir de l’état d’équilibre, si le signal pneumatique varie, l’ensemble diaphragme se déplace. Le mouvement entraîne le tiroir du pilote qui est poussé par le ressort de rappel. Le pilote  est un distributeur à tiroir trois voies. Le tiroir règle les débits d’air comprimé de l’alimentation vers la sortie sur l’actionneur et de la sortie vers l’orifice d’échappement. La position de ce tiroir, commandée par le diaphragme, détermine la pression de sortie du positionneur.  Le déplacement du tiroir met le circuit de sortie en communication avec le circuit d’alimentation ou l’orifice d’échappement, modifiant ainsi la pression appliquée sur l’actionneur.  La pression appliquée sur la membrane pousse l'ensemble tige / clapet. Une came lié à la tige est entraînée en rotation par un embiellage. La came  est l’élément intermédiaire, dans le dispositif de contre-réaction, entre l’actionneur et le ressort du positionneur. Son profil détermine la relation entre la position de l’obturateur de la vanne et le signal émis par le régulateur. Les caractéristiques “linéaire”, “linéaire en cascade” (split-range), ou “égal pourcentage” sont disponibles par sélection du secteur approprié sur les cames. Des profils de came pour caractéristiques spéciales peuvent être réalisés.  La came transmet le déplacement de l’obturateur de la vanne au ressort de contre-réaction. L’obturateur de la vanne continue son mouvement jusqu’à ce que la force du ressort équilibre exactement celle développée par la pression du signal pneumatique sur le diaphragme.



A ce nouvel état d’équilibre, la position de l’obturateur de la vanne devant le siège correspond à celle demandée par le signal du régulateur.

8.3. Sécuriser le processus Pour des raisons de sécurité , il est fondamental de connaître la position de repli d'une vanne lorsqu'une défaillance d'alimentation en énergie ou une défaillance de signal survient. 8.3.1. Défaillance d'énergie1 Vanne à action directe : elle s'Ouvre par Manque d'Air Vanne à action inverse : elle se Ferme par Manque d'Air Association servomoteur / corps = vanne

Direct

Inverse 1

OMA FMA

Inverse

Direct

Directe

OMA

Inverse

FMA

Inverse

FMA

directe

OMA

Valable pour toute vanne avec ou sans positionneur

8.3.2. Défaillance de signal En l'absence de signal de commande, une vanne équipée d'un positionneur peut être Normalement Ouverte ou Normalement Fermée par l'énergie motrice selon le sens d'action global de cet équipage. Vanne directe OMA

Association vanne / positionneur

Vanne inverse FMA

Directe

NO

Inverse

NF

Positionneur inverse

Inverse

NF

Directe

NO

8.3.3. Maintien de la position lors d'une défaillance d'énergie Une vanne ToR se ferme en cas de chute brutale de la pression d'alimentation. La pression dans le servomoteur est ainsi isolée du signal de pression fourni par le positionneur.

FC

Positionneur direct

8.3.4. Codification sur schéma TI

M

FL FO

FC

robinet droit à soupape + actionneur pneumatique à membrane

(ouvert par manque d'air)

FO : fail open

FL

robinet tournant à papillon + actionneur pneumatique à membrane avec positionneur FC : fail closed

FI

(fermé par manque d'air)

robinet tournant à boule + actionneur électrique (moteur) FL : fail locked (bloqué par manque d'électricité)

robinet droit à soupape + actionneur pneumatique à piston FI : fail indeterminate (position indéterminée par manque

d'air)

FO

FC

FL

FI

OU

8.4. Partager le signal sur deux vannes Cette fonction est utilisée si la régulation ne peut être couverte par une seule vanne : ● structure type « chaud / froid » où l’on doit ouvrir une vanne de froid ou de chaud suivant la commande du régulateur ; ...C

0 – 50 %

FO 50 – 100 %

FC ●

structure à grande rangeabilité étalée sur deux vannes en parallèle ; Remarque : Cvtotal = Cv1 + Cv2 ...C 0 – 50 %

FC 50 – 100 %

FC Lors de régulation « split-range », les deux organes sont donc pilotés à partir d’une seule commande. Deux solutions sont possibles : – on réalise un décalage des zéros et 100 % des vannes de façon à ce que la première s’ouvre à 0 % et se ferme à, par exemple, 50 % du signal, la deuxième sera fermée jusqu’à 50 % puis s’ouvrira jusqu’à 100 % du signal : réglages et maintenance plus ardus ; – on utilise un bloc de calcul séparant la commande en deux signaux, chaque signal commandant une sortie analogique. Les vannes sont réglées de manière standard et non plus décalée, ce qui simplifie la maintenance.