Cours Complet Appareils de Robinetterie

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    LES APPAREILS DE ROBINETTERIE

    IUT Paul Sabatier

    Département Génie Chimique – Génie des Procédés133, Av. de Rangueil 31077 Toulouse Cedex 4

    Tél : 05 62 25 87 99Fax : 05 62 25 88 91

    Maria-Julia Dinis-K/ourio

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    SOMMAIRE

    Chapitre I : Les appareils de robinetterie1- Définition p. 3

    2- Classification p. 3Chapitre II: Les robinets1- Définition p. 4

    2- Fonction p. 4

    3- Classement des robinets p.4

    4- Description des robinets p.5

    4.1- Robinet vanne p.5

    4.2- Robinet à soupape p.8

    4.3- Robinet à tournant p.11

    4.4- Robinet à papillon p.13

    4.5- Robinet à piston p.14

    Chapitre III: L’étanchéité des robinets1-  Etanchéité interne p.15

    2-  Etanchéité vers l’extérieur p.15

    2.1- Presse étoupe p.16

    Chapitre IV: Caractéristiques des robinets1-  Coefficient de débit p.17

    2-  Caractéristique de débit p. 21

    3-  Critères de sélection p.22

    Chapitre V: Ecoulement critique1-  Fluides incompressibles p.23

    1.1- cavitation p. 23

    1.2- Choc hydraulique ou coup de bélier p. 25

    2-  Fluides compressibles p. 27

    Chapitre VI: Les clapets et soupapes de sûreté1-  Les clapets p.28

    2-  Les soupapes de sûreté p.30

    3-  Les disques de rupture p.31

    Chapitre VII: Appareils accessoires1-  Les détendeurs p.33

    2-  Les séparateurs p.34

    3-  Compensateurs de dilatation p.35

    Exemple d’un montage de robinetterie p. 36Normalisation p. 37Bibliographie p. 37

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    Chapitre I : Généralités

    1- 

    Définition

    Sous le nom de robinetterie sont désignés l’ensemble des appareils montés sur une capacité

    contenant un fluide (tuyauterie, réservoir, etc..)

    Ces appareils permettent de modifier, de maintenir ou d’interrompre la circulation d’un fluide,

    ils indiquent aussi certaines caractéristiques de ce fluide (débit, pression, niveau,

    température..)

    2-  Classification

    Les appareils de robinetterie son classés de la façon suivante :

    -  Appareils type : l’obturateur est l’organe principal et donne le nom à l’appareil, ondistingue : les robinets, les vannes automatiques, les clapets de retenue, les soupapes de

    sûreté.

    -  Appareils accessoires : ici on les désigne par leur fonction : les séparateurs, les éjecteurs,

    les indicateurs, les purgeurs.

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    Chapitre II : Les robinets

    1-  Définition :

    Un robinet est un appareil à obturateur commandé de l’extérieur, il est constitué d’une

    enveloppe, d’un obturateur, d’un système d’étanchéité et d’un dispositif de manœuvre.

    2-  Fonctions :

    Les fonctions à assurer par le robinet sont :

    a-  isolement : dans ce cas deux positions de l’obturateur sont essentielles :

    - position fermée (l’importance est donnée au niveau de l’étancheité interne)

    -  position ouverte (l’importance est donnée à la section de passage offerte au fluide, on

    recherche la perte de charge minimale)

    b-  réglage : dans ce cas l’intérêt se porte essentiellement sur les positions intermédiaires del’obturateur (entre position fermée et position ouverte)

    3- Classement des robinets

    Le classement le plus usuel des robinets est donné par le déplacement de l’obturateur parrapport au siège. Selon ce classement on distingue cinq familles de robinets :

    Robinet à vanne ou à opercule : l’obturateur appelé vanne se déplace en translation

    parallèlement au siège.

    Robinet à soupape : l’obturateur appelé soupape se déplace en translation

    perpendiculairement au siège.

    Robinet à tournant : l’obturateur appelé tournant se déplace par rotation par rapport à l’axedu siège.

    Robinet à papillon  : : l’obturateur appelé papillon se déplace par rotation autour de l’axeparallèle au siège.

    Robinet à piston : : l’obturateur appelé piston se déplace par translation suivant son axe dans

    un corps cylindrique.

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    4- Description des robinets

    4.1-Robinet à vanne ou robinet à opercule

    On trouve des robinets vannes à sièges obliques et à sièges parallèles. La tige de manœuvrede l’obturateur peut être :

    - à filetage intérieur, une partie de la tige est soumise à la corrosion du fluide.

    -  à filetage extérieur, dans ce cas la tige de manœuvre est hors fluide.

    Sièges obliques et commande de l’obturateur Sièges parallèles et commande de l’obturateurpar tige à filetage intérieur par tige à filetage extérieur

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    -  Dans les robinets vanne le fluide s’écoule sans subir de déviation à travers une ouverture

    dont la section est pratiquement égale à celle de la canalisation, la perte de charge créée

    par ce robinet est faible.

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    4.1.1-Vannes à sièges obliques

    L’étanchéité est obtenue par coincement de l’opercule entre les portées d’étancheité (siège)

    obliques du corps.

    La forme conique de l’opercule évite le glissement relatif des portées d’étanchéité lors des

    manœuvres, ce qui permet de minimiser l’usure des portées.Pour garantir une bonne étanchéité dans les vannes à opercule monobloc, une grande

    précision d’usinage est nécessaire. Comme l’obturateur est massif il s’adapte mal aux

    déformations du corps, il ne convient pas aux utilisations à température élevée ou fluctuante

    ni à celles présentant des déformations importantes du corps (forte pression).

    Dans la vanne à double opercule l’obturateur est constitué de deux éléments appuyés l’un

    contre l’autre. L’articulation entre les deux éléments et leur flexibilité permette une variation

    angulaire des portées d’étanchéité (ils s’accommodent mieux aux déformations). Il est de

    même avec l’opercule élastique.

    opercule opercule doublemonobloc élastique opercule

    4.1.2- Vannes à sièges parallèles

    Les disques de l’opercule frottent pendant la totalité de la course sur les sièges. Il est donc

    nécessaire de prévoir un choix de matériaux adaptés (Stellite le plus souvent) pour les portées

    d’étanchéité (siège), afin d’éviter une usure prématurée.

    Les vannes de ce type sont peu sensibles aux déformations thermiques ou de pression, et leur

    entretien est aisé.

    opercule opercule à dispositif

    à libre dilatation de blocage à coin central

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    4.1.3- Avantages et inconvénients des robinets vanne

    Avantages :-  Bonne adaptation à la fonction d’isolement

    -  peu de perte de charge

    bonne étanchéité-  facilité de manœuvre

    Inconvénients :-  encombrement important

    -  inadapté aux réglages

    -  ne convient pas aux fluides chargés

    -  inadaptée aux manœuvres fréquentes

    4.2-  Robinets à soupape

    On peut distinguer différents types de robinet à soupape :

    a-  robinet droit à siège plan ou conique : ce robinet provoque un changement important dedirection de la veine fluide, ce qui entraîne une forte perte de charge.

    Robinet droit

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    b-  robinet incliné : pour ce robinet la perte de charge est plus faible car il oppose une

    moindre résistance au passage du fluide. L’écoulement est plus régulier et plus rapide car

    les filets du fluide ne sont pas brisés.

    Robinet incliné

    c-  robinet à soupape équilibré : l’équilibrage permet de réduire la taille de l’obturateur

    ainsi que l’effort de manœuvre.

    Robinet équilibré

    d-  Robinet à pointeau ou à aiguille : l’obturateur est de forme allongée, il permet un

    réglage fin du débit de fluide. Ce type de robinet n’existe qu’en petits diamètres.

    Robinet à pointeau

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    4.2.1- Autres types de robinet à soupape :

    -  de robinet fond cuve (l’ouverture se fait dans le corps), permet de casser la croûte forméepar les particules déposées au fond des cuves.

    robinet à membrane. L’obturateur est une membrane déformable surmonté d’un sabot.L’étanchéité se fait par appui de la membrane sur le corps, la membrane isole le

    mécanisme de manœuvre du fluide. Employé pour des températures et pressions faibles

    (ne pouvant dépasser 10 bars et 120 °C). Bonne tenue à la corrosion. Recommandé pour

    des liquides entraînant une granulosité supérieure à 0.2 mm (boues, sable, grain de

    minerais etc. …)

    à passage direct à passage semi-direct

    Normalement les robinets à soupape sont utilisés avec l’arrivée du fluide sous l‘obturateur

    (clapet). Ceci permet d’éviter que les garnitures d’étanchéité au niveau de la tige de

    manœuvre soient sous pression lorsque le robinet est fermé. Evite aussi le battement del’obturateur prés de la fermeture.

    Pour les grands diamètres et les hautes pressions l’obturateur est guidé dans le corps.

    Les robinets à soupape sont très utilisés comme robinets de réglage.

    4.2.2- Avantages et inconvénients des robinets à soupape

    Avantages :-  Bonne adaptation au réglage (possibilité d’obtenir les caractéristiques de débit désirées)

    bonne étanchéité possible-  permet des manœuvres fréquentes

    -  permet de créer des fortes pertes de charge (réglage)

    -  robuste, simple d’entretien

    Inconvénients :-  encombrement important

    -  facilité de manœuvre médiocre

    -  ne convient pas aux fluides chargés

    -  pertes de charge importantes pour le robinet droit

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    4.3- Robinets à tournant

    L’obturateur (tournant) comporte un passage orientable par rotation autour d’un axe

    orthogonal à l’axe d’écoulement du fluide. La forme du tournant peut être :

    cylindrique conique sphérique

    La fixation des tournants cylindriques et coniques peut se faire de deux façons :

    -  à boisseau défoncé : le tournant est maintenu en place par un écrou placé sous la partie

    inférieure du corps

    -  à boisseau foncé : le tournant est maintenu en place par une tête boulonnée sur la partie

    supérieure du corps.

    Souvent l’extrémité du tournant est usinée en carré pour permettre l’insertion d’une clé de

    manœuvre.

    Clé de manœuvre 

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     Robinet à tournant à deux et trois voies 

    Robinet à tournant trois voies :

    Ouvert Fermé

    4.3.1-Avantages et inconvénients des robinets à tournant

    Avantages :-  manœuvre simple et rapide (1/4 de tour)-  bonne étanchéité

    -  peu de perte de charge

    -  encombrement réduit

    -  robinet d’arrêt (tout ou rien)

    Inconvénients :-  ne convient pas pour le réglage

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    4.4- Robinets à papillon

    L’obturateur est constitué d’un disque mobile se déplaçant dans le fluide par rotation autour

    d’un axe orthogonal à l’axe d’écoulement du fluide.

    La commande de l’obturateur se fait manuellement à l’aide d’une clé ou à l’aide d’une roue et

    vis sans fin ou automatiquement.Ce robinet est utilisé comme robinet de sectionnement pour les petits diamètres et comme

    robinet de réglage pour les diamètres plus importants.

    Robinets à papillon avec démultiplicateur

    Les gros diamètres nécessitent d’un système démultiplicateur d’efforts pour manœuvrer

    l’obturateur.

    4.4.1- Avantages et inconvénients des robinets à papillon

    Avantages :

    -  encombrement et poids réduit

    -  simplicité (peu de pièces constitutives)

    -  prix de revient faible, surtout pour les grands diamètres

    -  très bonne étanchéité

    -  faible perte de charge

    -  aptitude au réglage pour les grands diamètres

    Inconvénients :

    -  pas de passage intégral

    -  n’est pas adapté pour le fonctionnement à forte pression différentielle (au-delà de 40 bars

    environ)

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    4.5- Robinets à piston

    Le sectionnement est obtenu par un piston se déplaçant dans une lanterne entre deux bagues

    d’étanchéité. La bague supérieure assure l’étanchéité vers l’extérieure et la bague inférieure

    l’étancheité en ligne. La perte de charge qu’il provoque est importante, de ce fait il est utilisé

    comme robinet de réglage. Il peut être utilisé pour des pressions et températures élevées (300bars, 350 °C).

    4.5.1- Avantages et inconvénients des robinets à piston

    Avantages :-  très bonne tenue à la température

    Très bonne étanchéité

    Inconvénients :-  encombrement important

    -  facilité de manœuvre médiocre

    -  pertes de charge importantes

    -  entretien onéreux

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    Chapitre III: l’étanchéité dans les robinets

    Lorsque la paroi d’une enceinte est traversée par une pièce en mouvement et qu’il existe unedifférence de pression entre les deux faces de cette paroi, il se crée une fuite à travers l’espace

    libre (jeu) entre les deux pièces.

    Pour réaliser l’étanchéité on à intérêt à combler le jeu à l’aide d’un système ne faisant pas

    d’obstacle au mouvement.

    Dans un robinet, on peu considérer deux types d’étanchéité :

    -  l’étanchéité interne, au niveau de l’obturateur

    -  l’étanchéité vers l’extérieur, au niveau de la sortie de la tige de commande et au niveau

    des liaisons avec la tuyauterie.

    1- 

    Etanchéité interne 

    L’étanchéité est assurée entre l’obturateur et le siège à la fermeture du robinet.

    Les robinets d’isolement (tout ou rien) doivent assurer une bonne étanchéité interne. Par

    contre les robinets de réglage ne possèdent pas toujours une étanchéité interne parfaite.

    2-  Etanchéité vers l’extérieur

    Deux types d’étanchéité vers l’extérieur sont à distinguer dans un robinet :

    -  les joints de brides et de couvercles, qui constituent des étanchéités statiques ;

    -  les joints sur tiges (presse-étoupe), qui constituent des étanchéités dynamiques.

    2.1- Etanchéité statiqueElle consiste à serrer un joint entre les faces d’appui de deux pièces fixes. Lors du serrage, le

     joint subit dans un premier temps une déformation élastique et permanente, ce qui lui permet

    de s’adapter parfaitement aux défauts superficiels des faces d’appui, puis d’un deuxième

    temps, il est mis sous contrainte pour obtenir l’étanchéité.

    2.2- Etanchéité dynamiqueLa commande de l’obturateur s’effectue par trois sortes de mouvements :

    -  mouvement circulaire (tige tournante)

    mouvement linéaire (tige montante)-  mouvement hélicoïdal (tige montante et tournante)

    Nous considérerons ici seulement l’étanchéité entre la tige de commande de l’obturateur et

    l’extérieur.

    Plusieurs dispositifs d’étanchéité pour des robinets existent. Le plus couramment utilisé est le

    presse étoupe.

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    Jeu entre le corps du robinet et la tige

    2.2.1- Presse étoupe

    Le principe est d’interposer entre les pièces à étancher un matériau tendre épousant les

    aspérités des surfaces et réduisant ainsi l’espace libre entre elles.

    Il est constitué :

    -  d’une garniture souple

    -  d’une boîte à garniture traversée par la tige mobile.

    -  d’un fouloir ou presse dont le rôle est de comprimer la garniture

    La garniture doit être souple, résister aux agents chimiques avec lesquelles elle est en contact

    ainsi qu’à la température de service. On trouve des garnitures en coton (eau froide), coton

    graphité, téflon (corrosion chimique)…

    Presses étoupes fermés par boulons et écrou respectivement

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    Chapitre IV : Caractéristiques des robinets

    Sont appelés caractéristiques d’un robinet l‘ensemble de données permettant de définir sesperformances (diamètre, débit maximale, pression et température d’utilisation…)

    1-  Coefficient de débit (Cv, Kv)

    Le coefficient de débit est une mesure standard du débit de fluide qui circule dans un robinet.

    Ce coefficient est employé dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des robinets

    ou à la détermination des débits qui les traversent.

    Le coefficient de débit d’un robinet est défini comme étant son débit d’eau, à pleineouverture, sous une chute de pression constante et égale à un dans le système d’unités

    adopté.

    Dans le système anglo-saxon, le coefficient de débit Cv, est le débit d’eau exprimé en

     gallons US / minute (1 gallon US étant l’équivalent de 3.78 litres), à une température

    comprise entre 5 et 40 °C, s’écoulant à travers un robinet totalement ouvert, en créant une

    perte de charge d’un PSI (1 p.s.i. équivaut à 0.07 bar).

    Dans le système européen, le coefficient de débit Kv, est le débit d’eau exprimé en

    litres/minute à une température comprise entre 5 et 40 °C, s’écoulant à travers un robinet

    totalement ouvert, en créant une perte de charge d’un bar.

    Le graphe suivant donne la perte de charge en fonction du débit. Le débit est exprimé en litres

    par minute, par conséquent, pour une perte de charge de 1 bar il est possible de connaître la

    valeur de Kv.

    ∆∆∆∆P

    Débit (l /mn) 

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    Le débit maximal d’un robinet est établit par les constructeurs sous forme de Cv ou de Kv.

    Lorsqu’on veut choisir un robinet et que toutes les conditions d’utilisation sont définies,

    (nature du fluide, température, pression amont et aval, etc.) il faut transformer le débit réel (Q)

    sous forme de Cv. Ci dessous on trouvera les formules permettant de calculer le coefficient de

    débit dans le cas des liquides, des gaz et de la vapeur d’eau.

    a-  Liquides

    Pd QCv ∆=  

    Cv [gallons US / min]

    Q [gallons US / min]d [densité]

    ∆P [p.s.i.]

    Pd QCv ∆= 17.1  

    Cv [gallons US / min]

    Q [m

    3

     / h][densité]

    P [bar]

    Pd QKv ∆=  

    Kv [litres / min]

    Q [litres / min]d [densité]

    ∆P [bar]

    b-  Gaz

    ( )21279   PPPTd Q

    Cv+∆

    =  

    Cv [gallon US / min]

    Q [m3 /h] : débit aux CNTP

    T [K]

    d [densité]

    P [bar]P1 [bar] : pression d’entrée

    P2 [bar] : pression de sortie

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    c-  Vapeur

    ( )

    ( )2114

    0013.01

    PPP

    W TsCv

    +∆

    +=  

    Cv [gallon US / min]

    Q [m3 /h] : débit aux CNTP

    Ts [°C] : surchauffe

    W [Kg / h] : débit de vapeur

    ∆P [bar]

    P1 [bar] : pression d’entrée

    P2 [bar] : pression de sortie

    Dans les formules pour le gaz et pour la vapeur :

    -  lorsque P2>2

    1P ; employer P2 telle quelle

    -  lorsque P22

    1P≤  ; employer

    2

    12

      PP =  

    1.1-  Majoration du coefficient de débit

    Il est nécessaire de majorer le coefficient de débit. Cette marge est variable en fonction du

    type d’obturateur :

    - obturateurs à loi linéaire : Cv du robinet = 1.25 Cv calculé

    - obturateurs à loi exponentielle: Cv du robinet = 1.5 Cv calculé

    1.2-  Diamètre nominal et pression nominale

    Le diamètre nominal (DN) est une mesure de référence permettant d’unifier les différents

    composants des appareils de robinetterie (tubes, robinets, etc.).

    La pression nominale (PN) est la pression maximale à laquelle un fluide peut circuler dans un

    appareil. La pression nominale est donnée à température ambiante.

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    Le diamètre nominal et la pression nominale possèdent une caractéristique bien particulière :

    ils s’expriment sans être suivis d’une unité de mesure. On écrira par exemple : DN 50 et non

    DN=50 mm. De même, on écrira PN 14 et non PN= 14 bars.

    Le diamètre nominal ne correspond pas exactement au diamètre intérieur de l’appareil, il

    existe des tables pour des tuyauteries donnant la correspondance entre le DN et le diamètreintérieur. Voici quelques exemples : DN 20 d intérieur = 21.6 mm

    DN 25 d intérieur = 27.2 mm

    DN 32 d intérieur = 35.9 mm

    DN 40 d intérieur = 41.8 mm

    1.3- Perte de charge dans le robinet

    Il n’est pas facile d’évaluer la perte de charge crée par le passage du fluide à travers le

    robinet. Pour un fonctionnement efficace d’un robinet de régulation, il est recommandé

    d’utiliser pour le calcul de CV, une perte de charge égale à 50 % de la perte de charge parfrottement dans le reste du circuit. Les tables de perte de charge pour des appareils de

    robinetterie données en cours de Mécanique des Fluides peuvent aussi être utilisées.

    1.4-  Les vitesses limites

    Le choix d’un diamètre nominal de corps de robinet ne doit pas conduire à des vitesses de

    fluide à l’entrée de ce corps de robinet qui dépasseraient certaines vitesses limites. Le respect

    de ces vitesses permet de diminuer les effets de l’énergie cinétique du fluide (d’érosion).

    Ces vitesses limites à l’entrée du corps d’un robinet sont généralement de l’ordre de :

    1 m /s pour un fuel-oil1 à 4 m / s pour l’eau

    110 m/s pour la vapeur à 565 °C

    Lorsque la vitesse du fluide à l’entrée d’un corps d’un robinet, dont le diamètre nominal à été

    déterminé pour que son coefficient de débit corresponde à celui calculé à partir des données

    de l’installation envisagée, dépasse une des valeurs limites préconisées, il faut prendre un

    corps de robinet de diamètre nominal supérieur mais réduit au niveau de l’obturateur et du

    siège. Le robinet équipé ainsi d’un réducteur possède un coefficient de débit sensiblement

    égal au précédent.

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    2- Caractéristique de débit

    La caractéristique de débit est la relation qui lie la levée de l’obturateur au débit qui traverse

    le robinet à perte de charge constante (1 bar ou 1 p.s.i. selon le système d’unités). On exprime

    le débit et le déplacement en valeur relative (% de la valeur maximale).

     La finesse de réglage d’un robinet, peut être définie comme la variation de la course de son

    obturateur pour une variation unitaire du pourcentage de son coefficient de débit.

    Les obturateurs peuvent être divisés en trois grandes catégories, selon la loi qui régit la

    variation de la course en fonction de la variation du pourcentage du coefficient de débit du

    robinet.

    a- Caractéristique exponentielle ou égal pourcentage

    Est celle le plus utilisé.Le débit qui traverse le robinet est une fonction « exponentielle » de la levée de l’obturateur

    (ici exponentielle est une dénomination industrielle pour ce type de courbe et ne correspond

    pas à la fonction mathématique connue).

    C’est à dire que si la position de l’obturateur varie d’une petite quantité, la variation de débit

    qui en résulte sera égale au débit initial multiplié par un facteur constant. Il en résulte que la

    sensibilité du robinet sera le même en tout point de la course de l’obturateur.

    Q = b exp(a d) avec: a et b constantes

    d : déplacement de l’obturateur

    Q :débit

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    b-  Caractéristique linéaire

    Cette caractéristique signifie que le débit est proportionnel à la levée de l’obturateur.

    Q = Qmax d /dmax avec : Qmax :débit maximal

    dmax :déplacement à grande ouverture

    c-  Caractéristique « ouverture rapide »

    Le débit augmente très rapidement dès l’ouverture de l’obturateur pour atteindre une valeur

    pratiquement maximum alors que l’obturateur n’a atteint qu’une fraction de sa course. A

    partir de ce moment, la sensibilité du robinet, maximale à l’ouverture, devient à peu près

    nulle.

    Cette caractéristique est utilisé dans les robinets d’arrêt ou « tout ou rien ».

    Diverses formes de clapet (linéaire, exponentielle, à ouverture rapide, etc.)

    Les vannes à simple portage sont plus étanches et moins coûteuses.

    Celles à double portage sont plus sensibles, évitent les vibrations, mais elles sont moins

    étanches et plus coûteuses.

    3- Critères de sélection

    La sélection d’un robinet de régulation devra être faite de telle sorte que les critères ci-dessous

    répondent parfaitement aux caractéristiques de l’installation concernée.

    -  Le matériau utilisé pour la construction du corps de vanneLe matériau doit résister à la corrosion ainsi qu’aux conditions opératoires de température et

    pression.

    -  Plage de réglage du débit (Cv)Le calcul du Cv permettra de déterminer le modèle de vanne à utiliser.

    -  Diamètre nominal de connexions

    Le diamètre nominal des connexions doit être celui de l’entrée de la vanne car le diamètre deraccordement détermine le débit d’entrée.

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    Chapitre V : Ecoulement critique

    Le débit passant au travers d’un robinet varie avec la chute de pression autorisée, mais il est

    limité par :

    - une éventuelle vaporisation du liquide en aval du robinet si en un point quelconque du

    robinet la pression devient inférieure à la tension de vapeur du liquide

    -  l’écoulement sonique su gaz dans le robinet qui se produit lorsque la pression aval devient

    inférieure à 50% de la pression amont.

    Ces régimes d’écoulement sont dits critiques.

    1-  Fluides incompressibles

    1.1-  Cavitation

    La cavitation est un phénomène diphasique qui prend naissance dans un écoulement liquide si

    la vitesse locale est trop élevée.

    La pression statique s’abaisse localement jusqu’à la pression de vapeur saturante, Tv,correspondant à la température du liquide. Il se forme alors des bulles de vapeur au sein du

    liquide (écoulement diphasique). Lorsque la pression statique remonte, en aval de la

    restriction de section, les bulles de vapeur implosent et l’écoulement devient monophasique

    (liquide).

    La formation de bulles puis leur implosion contre les parois du corps du robinet et les organes

    d’obturation (siège et obturateur) entraînent une érosion rapide de ceux-ci, et dans les cas

    extrêmes, la formation de cavités.

    Nous allons suivre la pression lors de l’écoulement d’un liquide à travers un robinet

    Diagramme de la pression statique

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    Différents régimes d’écoulement dans un robinet

    Ce diagramme montre l ‘existence d’une zone appelée «vena contracta » où la pression

    statique est minimale (cette zone correspond à la contraction maximale de la veine fluide).

    La pression P2 en sortie est telle que P2 > Pmin (phénomène de récupération de pression)

    En comparant Pmin et P2 à la tension de vapeur Tv du liquide à la température de l’écoulement,

    plusieurs cas peuvent se présenter :

    a-  Pmin > Tv1  (liquide ayant une tension de vapeur, Tv1)

    Cas normal de l’écoulement du liquide, la tension de vapeur, Tv1, reste en dessous de la

    pression minimale occasionnée par le passage du liquide dans la contraction.

    b-  Pmin < Tv2  (liquide ayant une tension de vapeur, Tv2)

    Dans ce cas on observe une vaporisation du liquide dans la zone AB suivie d’une

    implosion des bulles à partir de B. C’est le phénomène de cavitation.

    c-  Pmin < Tv3  (liquide ayant une tension de vapeur, Tv3)

    Le liquide se vaporise et reste sous forme vapeur en sortie du robinet.

    La cavitation produit un bruit très caractéristique, des vibrations et de l’érosion.Il faut donc éviter le fonctionnement d’un robinet en régime de cavitation.

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    1.2- Choc hydraulique ou coup de bélier

    Le choc hydraulique ou coup de bélier est dû à l’accélération ou à la décélération rapide d’un

    liquide dans une canalisation.

    Les liquides se déplacent dans les canalisations avec des vitesses allant de un à quelques m/s.Leur énergie cinétique est importante et ne peu disparaître instantanément, en cas de

    fermeture brusque (volontaire ou inopinée), sans que des effets souvent néfastes se

    manifestent.

    Les coups de bélier sont souvent dus à l’arrêt d’une pompe, à la fermeture brusque d’un

    robinet, clapet ou autre appareil de robinetterie.

    L’interruption très rapide de l’écoulement nécessite des forces de pression importantes, en

    regard desquelles la compressibilité du liquide, même faible, n’est plus négligeable, et

    intervient directement dans le phénomène, ainsi d’ailleurs que l’élasticité du tuyau.

    L’onde de choc parcourt, à partir de son origine, le trajet aller et retour de la canalisation avec

    une force et une vitesse décroissante et une fréquence régulière, jusqu’à son élimination par

    frottement et inertie.Par leur puissance et leur fréquence, les coups de bélier engendrés dans les canalisations usent

    et détériorent les tuyauteries et appareils rencontrés sur leur parcours (indicateurs, compteurs,

    filtres, etc.). Ils se déforment et provoquent des fuites, des bruits et souvent d’éclatements.

    écoulement normal fermeture brusque absorption de l’onde de choc

    formation de l’onde de choc par l’anti-bélier

    La variation de pression est une :

    -  surpression si le robinet de fermeture est à l’extrémité aval du tuyau.

    dépression  dans le cas contraire (fermeture d’une vanne ou arrêt d’une pompe en amont.Elle peut alors provoquer de la cavitation, qui complique l’étude du phénomène et peut lerendre plus dangereux).

    Les principaux facteurs qui interviennent sont :

    -  longueur de la canalisation en amont de l’appareil

    -  vitesse du liquide avant le changement de régime

    -  densité du liquide

    -  durée de fermeture de l’appareil

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    1.2.2- Protection contre les coups de bélier

    Pour protéger les canalisations, il convient d’empêcher, au moyen de dispositifs appelés

    antibéliers, que la pression ne dépasse celle qui peut être supporté sans inconvénient.

    a-  Vanne à fermeture lente

    Pour combattre les coups de bélier dus à la fermeture d’une vanne d’alimentation, il convient

    de limiter la vitesse de fermeture de celle-ci.

    On peut, au moyen d’un système de leviers ou de cames de commande, ralentir la vitesse de

    fermeture de la vanne.

    Cette solution, qui ne protège pas contre l’arrêt intempestif d’une pompe, est particulièrement

    recommandée dans les cas des adductions purement gravitaires.

    b-  Soupape de décharge

    C’est un appareil de robinetterie qui s’ouvre dès que la pression dans la conduite dépasse une

    valeur réglée d’avance ; elle laisse alors passer un certain débit.

    Ce dispositif combat uniquement les surpressions. Son prix est peu élevé, on peu donc le

    placer en divers points de conduite longue lorsque le point de formation du coup de bélier est

    incertain et que seules des surpressions sont initialement à craindre.

    c- Réservoir antibélier - Cheminée d’équilibre

    Pour combattre hydrauliquement aussi bien les surpressions que les dépressions, il faut

    pouvoir non seulement évacuer (temporairement ou non) une certaine quantité de liquide,

    mais aussi en fournir à la conduite que l’on doit protéger.

    Il faut donc disposer d’un réservoir partiellement plein pendant le fonctionnement, dans lequel

    les variations de pression sont associées à des variations de volume.

    Lorsque la surface libre de ce réservoir est à la pression atmosphérique, c’est une cheminée

    d’équilibre; dans le cas contraire, il s’agit d’un réservoir sous pression d’air ou autre gaz

    inerte, appelé communément réservoir antibélier.

    Les cheminées d’équilibre sont utilisées uniquement lorsqu’on dispose d’une hauteur

    suffisante (par exemple sur les centrales hydroélectriques ou encore dans le système

    d’évacuation des toilettes)

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    En général un coup de bélier important, causant de dommages sur une installation, se produit

    lorsque la pression totale de l’onde de choc atteint 1.5 fois de la valeur de pression normale

    dans la canalisation.

    On limite le plus souvent cette pression à 1.1 ou 1.15 fois la pression normale.

    2- Fluides compressibles

    Pour les gaz, la vitesse est limitée à la vitesse du son. Il y a écoulement critique lorsque lavitesse du son est atteinte. A cette vitesse, le débit ne peut être augmenté puisque le gaz se

    déplace à la vitesse de propagation de l’onde de pression.

    Lorsque la vitesse du fluide atteint la vitesse du son en sortie du robinet, il y a naissance

    de bruits et des vibrations qui peuvent être dommageables pour la tuyauterie.

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    Chapitre XVII : Les clapets et soupapes de sûreté

    1-  Les clapets

    Ce sont des organes d’arrêt. On distingue :

    - Les clapets d’arrêt dont le rôle est d’empêcher que la vitesse du fluide dépasse une valeurdéterminée. Ils sont actuellement peu utilisés.

    -  Les clapets de non-retour  dont le rôle est de fermer dès que la circulation du fluidechange de sens.

    Nous donnons ici les clapets de non-retour les plus répandus dans l’industrie.

    a- Clapet de non-retour guidé

    Il est construit à partir d’un robinet à soupape dont il utilise le corps et le siège.

    Il assure une bonne étanchéité, même à faible pression et possède un temps de réponse très

    faible du fait que le clapet tend de par son poids à s’appuyer naturellement sur son siège.

    Sur certains modèles on peu améliorer la fermeture du clapet par l’action d’un ressort. Ce

    clapet est utilisé sur des conduites horizontales et verticales.

    Utilisé pour des fréquences de manœuvre élevées.

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    b- Clapet de non-retour à battant

    La levée du battant dégage un passage direct favorable aux débits importants. Il est utilisé

    pour des fréquences de manœuvre faibles.

    Clapet de no retour à battantClapet de non-retour à double battant

    c- Clapet de non-retour à papillon

    Ce clapet est dérivé du robinet à papillon, le disque d’obturation étant excentré.

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    d- Clapet de non-retour à boule

    L’obturateur est constitué d’une sphère qui s’applique sur son siège conique.

    L’absence d’articulation et de liaison mécanique permet l’utilisation de ces appareils pour des

    liquides chargés ou corrosifs.

    Clapets de non-retour à boule

    2-  Les soupapes de sûreté

    Ces appareils ont pour but de protéger les installations soumises à la pression d’un fluide.

    Les soupapes de sûreté s’ouvrent automatiquement sous la seule action du fluide si la pression

    vient à augmenter, et laissent échapper un débit de fluide correspondant à l’excès de pression

    produit.

    La soupape se referme automatiquement lorsque les conditions de service sont rétablies.L’échappement de la soupape pet être libre, mais on utilise généralement un échappement

    canalisé.

    Les soupapes de sûreté peuvent être :

    -  à contrepoids :

    La charge constituée d’une masse appliquée sur un bras de levier et appuyant sur l’obturateur

    de la soupape.

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    -  à ressort :

    La charge est exercée par un ressort dont la pression sur la soupape est tarée par

    l’intermédiaire d’une vis.

    Soupapes à ressort

    2.1- Soupape d’admission ou reniflard ou casse vide

    Utilisées dans les installations sous vide. Elles sont destinées à limiter la dépression dans une

    enceinte en y laissant pénétrer la pression atmosphérique.

    Différents types de casse vide

    3-  Les disques de rupture

    Comme les soupapes de sûreté, un disque de rupture est un dispositif destiné à limiter la

    pression d’un fluide à une valeur prédéterminée ; il fonctionne par déchirement d’un élément

    étalonné sous l’action de l’excès de pression.

    Un disque de rupture est constitué par :

    - le disque proprement dit, qui est une membrane métallique mince et circulaire.

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    -  Un porte disque permettant le montage du disque sur la conduite.On utilise un disque d’éclatement lorsque :

    a-  La montée en pression est si rapide qu’on risque une combustion ou une explosion et que

    l’inertie d’une soupape constituera un inconvénient.

    b-  Lorsque suivant les conditions de service il y a risque de formation de dépôts ou

    encrassements, ce qui rendrait impossible le fonctionnement d’une soupape.

    Montages :

    I-  Réservoir pressurisé avec montage simple d’un disque de rupture ;

    II-  Deux disques de rupture montés en parallèle avec une vanne trois vois, ce qui permet

    de remplacer le disque rompu sans arrêter l’installation.

    III-  Disque de rupture et soupape de sûreté montés en parallèle. Si la soupape ne

    fonctionne pas, le disque assurera la protection de l’installation.

    IV-  Disque de rupture monté en amont d’une soupape, à utiliser sur des circuits de fluides

    corrosifs ou visqueux.

    Il évite l’utilisation d’une soupape sophistiquée étant donné que c’est le disque qui est

    en contact direct avec le fluide contrôlé.

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    Chapitre VI: Appareils accessoires

    1- 

    Les détendeurs

    Ce sont des organes permettant de diminuer la pression d’un fluide.

    P1 : pression d’entrée, haute pression

    P2 : pression de sortie, basse pression

    Pc : pression de consigne

    Un régulateur de pression maintient la pression en aval à sa valeur de consigne en agissant sur

    l’obturateur pour corriger les variations de la pression soit en amont soit de la consommation

    en aval du détendeur.

    Si la différence de pression entre l’amont et l’aval est importante on monte plusieurs

    détendeurs en cascade au lieu d’un seul.

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    2-  Les séparateurs

    La fonction des séparateurs est d’extraire d’un gaz ou d’une vapeur :

    - du liquide qu’ils contiennent pour les séparateurs de liquides-  les solides sous forme de poussières qu’ils véhiculent, dans les séparateurs de solides

    Les séparateurs courants sont basés sur les principes suivants :

    -  séparation par chocs

    -  séparation par centrifugation

    On ne parlera pas ici des séparateurs par d’autres procédés tels que les dissicateurs ou les

    sécheurs réfrigérants (condenseurs).

    Les purgeurs n’ont aucun effet sur l’eau vésiculaire en suspension dans un gaz ou de la

    vapeur. Les séparateurs permettent de traiter cette eau en suspension.

    2.1.1- Séparateurs à chocsLe gaz ou la vapeur débouche dans une capacité munie de chicanes, à chaque changement de

    direction imposé, les gouttelettes de liquide plus lourdes sont arrêtées par les chicanes et

    ruissellent au point bas. Une purge évacue le liquide du fond de l’appareil.

    2.1.1- Séparateurs par centrifugationLe gaz introduit tangentiellement au sommet du cyclone, prend un mouvement hélicoïdal vers

    le bas au cours duquel les particules solides ou liquides sont centrifugées vers la paroi et

    évacuées par l’orifice inférieur. Le gaz épuré à la base du cyclone remonte dans la partie

    centrale avec un mouvement hélicoïdale concentrique au premier, puis est évacué par la

    cheminée supérieure. La séparation des particules se fait par centrifugation. Les cyclones à

    gaz sont très utilisés pour débarrasser un gaz de particules dont le diamètre est compris entre

    10 microns et un millimètre.

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    3- Compensateurs de dilatation

    Le compensateur de dilatation est un dispositif composé d’un ou plusieurs soufflets utilisés

    pour compenser des mouvements de tuyauterie ou d’éléments d’appareils dus à des

    sollicitations thermiques ou mécaniques

    Compensateur à trois articulations utilisé pour les canalisations de grande longueur

    Manchons flexibles

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    Exemple d’un montage d’appareils de robinetterie

    La figure suivante montre un ensemble d’appareils de robinetterie équipant un poste de

    détente à la sortie d’une chaudière de production de vapeur.

    Poste de détente de vapeur

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    NormalisationCi dessous les normes les plus employées dans la construction des appareils de robinetterie.

    France- Association Française de Normalisation AFNOR

    Etats-Unis- American National Standards Institute ANSI

    - American Petroleum Institute API

    Normes Internationales- International Organization for Standardization ISO

    Bibliographie

    Ouvrages- Techniques de l’ingénieur. Traités de génie chimique et de génie mécanique

    - Catalogue formulaire, robinetterie industrielle.1989 SNRI

    - P. Wuithier. Raffinage et génie chimique.1972 Technip

    - Guide de la robinetterie industrielle. 1999 Afir

    Catalogues constructeurs

    - Consulter les sites :http://www.giacomini.com 

    http://www.helyon.com http://www.gmr-robinetterie.fr 

    http://www.saccap.fr http://www.sectoriel.fr 

    http://www.georgefischer.fr/