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    MAINTENANCE INSTRUMENTATION

    VANNES ET ACTIONNEURS

    MANUEL DE FORMATIONCours EXP-MN-SI040

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    MAINTENANCE INSTRUMENTATION

    VANNES ET ACTIONNEURS

    SOMMAIRE

    1. OBJECTIFS.....................................................................................................................6 2. INTRODUCTION .............................................................................................................7

    2.1. SITUATION DANS UNE BOUCLE DE REGULATION..............................................7 2.2. DEFINITION..............................................................................................................8 2.3. ROLE DE LA VANNE................................................................................................8 2.4. CONTRAINTES.........................................................................................................8

    2.4.1. Dues au fluide ...................................................................................................8

    2.4.2. Dues à l’environnement sur la vanne ................................................................9 2.4.3. Dues à l’influence de la vanne sur l’environnement ..........................................9 2.4.4. Dues aux conditions de montage ......................................................................9

    2.5. TECHNOLOGIE D’UNE VANNE DE REGULATION...............................................10 2.6. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION......................................12

    2.6.1. Caractéristique intrinsèque de débit ................................................................12 2.6.1.1. Définition ....................................................................................................12 2.6.1.2. La caractéristique linéaire ..........................................................................12 2.6.1.3. La caractéristique égal pourcentage ..........................................................13 2.6.1.4. La caractéristique à ouverture rapide.........................................................14 2.6.1.5. Coefficient de réglage intrinsèque ou rangeabilité .....................................14

    3. LES TYPES DE VANNE................................................................................................15 3.1. VANNE À ACTION LINÉAIRE.................................................................................15 3.1.1. Vanne à clapet avec un corps à simple siège .................................................15 3.1.2. Vanne à clapet avec un corps à double siège.................................................17

    3.2. VANNE À CAGE .....................................................................................................19 3.3. VANNE 3 VOIES.....................................................................................................21 3.4. VANNE À MEMBRANE...........................................................................................23 3.5. VANNE À PLAQUE OU À GUILLOTINE.................................................................24 3.6. VANNE MICRO DÉBIT À CV AJUSTABLE.............................................................25 3.7. VANNE ROTATIVE.................................................................................................27

    3.7.1. Vanne papillon.................................................................................................27 3.7.2. Vanne à opercule sphérique dit « Vanne à boule ».........................................28 3.7.3. Vanne à clapet semi rotatif excentré ...............................................................30

    4. LES TYPES DE CLAPETS............................................................................................33 4.1. CLAPET LINEAIRE A OUVERTURE RAPIDE........................................................34 4.2. CLAPET LINEAIRE.................................................................................................34 4.3. CLAPET LINEAIRE MODIFIE .................................................................................34 4.4. CLAPET EGAL POURCENTAGE ...........................................................................35 4.5. CLAPET PARABOLIQUE........................................................................................35

    5. LES TYPES DE CAGES................................................................................................36 5.1. LA CAGE A OUVERTURE RAPIDE........................................................................36

    5.2. LA CAGE LINEAIRE ...............................................................................................36 5.3. LA CAGE EGAL POURCENTAGE..........................................................................37 5.4. LA CAGE ANTI-BRUIT............................................................................................37

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    6. LE CHAPEAU................................................................................................................38 6.1. LE PRESSE-ETOUPE ............................................................................................39 6.2. GARNITURE D’ETANCHEITE ................................................................................40

    7. LE SERVOMOTEUR .....................................................................................................42 7.1. LE SERVOMOTEUR PNEUMATIQUE....................................................................43 7.1.1. Servomoteur à membrane classique...............................................................43

    7.1.1.1. Fonctionnement .........................................................................................44 7.1.1.2. Description .................................................................................................45

    7.1.2. Servomoteur à membrane avec multi ressort..................................................46 7.1.3. Servomoteur à membrane déroulante.............................................................46 7.1.4. Servomoteur à piston ......................................................................................47

    7.2. LE SERVOMOTEUR HYDRAULIQUE....................................................................49 7.2.1. Constitution .....................................................................................................49 7.2.2. Fonctionnement...............................................................................................50

    7.3. LE SERVOMOTEUR ELECTRIQUE.......................................................................51 7.3.1. Servomoteur avec moteur et réducteur ...........................................................51 7.3.2. Servomoteur à solénoïde ................................................................................52

    7.4. SENS D’ACTION.....................................................................................................53 7.4.1. Sens d’action du corps de vanne ....................................................................53 7.4.2. Sens d’action du Servomoteur ........................................................................54 7.4.3. Du positionneur ...............................................................................................54 7.4.4. Cas particulier avec le servomoteur à piston ‘double effet’..............................55

    7.5. POSITION DE SECURITE......................................................................................55 7.5.1. Aspect sécurité de la vanne (corps + servomoteur) ........................................55 7.5.2. Aspect sécurité de la vanne avec son positionneur.........................................56

    8. LES ACCESSOIRES DE VANNE..................................................................................57 8.1. LE POSITIONNEUR................................................................................................57

    8.1.1. Le positionneur pneumatique ..........................................................................58 8.1.1.1. Ses fonctionnalités .....................................................................................58 8.1.1.2. Constitution ................................................................................................58 8.1.1.3. Son principe de fonctionnement.................................................................59 8.1.1.4. Les Pannes ................................................................................................61

    8.1.2. Le positionneur électropneumatique ...............................................................62 8.1.2.1. Constitution ................................................................................................62 8.1.2.2. Principe de Fonctionnement.......................................................................63 8.1.2.3. Les pannes.................................................................................................65

    8.1.3. Le positionneur intelligent (numérique)............................................................65 8.1.3.1. Constitution ................................................................................................65 8.1.3.2. Principe de fonctionnement........................................................................66 8.1.3.3. Les pannes.................................................................................................68

    8.2. LE CONVERTISSEUR ELECTROPNEUMATIQUE (I/P) ........................................68 8.3. LE LUBRIFICATEUR ..............................................................................................70 8.4. LE DETECTEUR DE POSITION.............................................................................71

    8.4.1. Micro rupteur ...................................................................................................71 8.4.1.1. Micro rupteur sur une vanne linéaire..........................................................72 8.4.1.2. Micro rupteur sur une vanne rotative..........................................................73

    8.4.2. Fin de course inductif ......................................................................................73 8.4.3. Fin de course capacitif.....................................................................................74

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    8.5. LE BOOSTER .........................................................................................................75 8.6. ELECTROVANNE OU ‘ ELECTRO-DISTRIBUTEUR ’............................................77

    8.6.1. Distributeur pneumatique ................................................................................77

    8.6.1.1. Son Rôle ....................................................................................................77 8.6.1.2. Le principe de fonctionnement ...................................................................78 8.6.1.3. Schématisations.........................................................................................79 8.6.1.4. Le distributeur 3/2 ......................................................................................79 8.6.1.5. Le distributeur 5/2 ......................................................................................79

    8.6.2. Le pilotage des distributeurs............................................................................80 8.6.2.1. Le distributeur monostable.........................................................................81 8.6.2.2. Le distributeur bistable ...............................................................................81

    8.6.3. Montage du distributeur...................................................................................82 8.6.4. La bobine.........................................................................................................83

    8.7. COMMANDE MANUELLE.......................................................................................84 9. MAINTENANCE.............................................................................................................86 9.1. REMPLACEMENT DE GARNITURES D’ETANCHEITE.........................................86

    9.2. ETALONNAGE DE VANNE ....................................................................................88 9.2.1. Etalonnage d’un convertisseur I / P.................................................................88 9.2.2. Etalonnage d’un positionneur électro-pneumatique ........................................90

    9.2.2.1. Réglage du zéro.........................................................................................90 9.2.2.2. Réglage de l’échelle...................................................................................91 9.2.2.3. Remplacement de la bobine.......................................................................92 9.2.2.4. Alignement du balancier.............................................................................92

    9.3. FONCTIONNEMENT DEFECTUEUX DU POSITIONNEUR I/P..............................93 9.3.1. Vérification du circuit pneumatique..................................................................93 9.3.2. Vérification du circuit électrique.......................................................................93 9.3.3. Nettoyage du circuit pneumatique...................................................................95

    9.3.3.1. L’orifice calibré ...........................................................................................95 9.3.3.2. Le pilote......................................................................................................95

    9.4. ENTRETIEN SERVOMOTEUR POUR VANNE ROTATIVE ...................................97 10. TROUBLESHOOTING.................................................................................................99

    10.1. CAVITATION ET VAPORISATION .......................................................................99 10.1.1. Variation de la pression statique dans une vanne.........................................99 10.1.2. Cavitation ......................................................................................................99 10.1.3. La Vaporisation ...........................................................................................100

    11. DIMENSIONNEMENT DE VANNE ............................................................................101 11.1. LE Cv ET LE Kv D’UNE VANNE .........................................................................101

    11.1.1. Qu’est-ce que le Cv d’une vanne ? .............................................................101 11.1.2. Qu’est-ce que le Kv d’une vanne ?..............................................................102 11.1.3. Les formules classiques de calcul de Cv de vanne .....................................103 11.1.4. Les formules de calcul de Cv d’après le constructeur Masoneilan ..............103

    11.1.4.1. Pour les liquides en unités anglo-saxonnes ...........................................103 11.1.4.2. Pour les liquides en unités métriques.....................................................104 11.1.4.3. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités anglo-saxonnes........................105 11.1.4.4. Pour les gaz et vapeur d’eau en unités métriques .................................105

    11.1.5. Calcul du Cv d’une vanne............................................................................106

    11.1.5.1. Cv équivalent avec 2 vannes en parallèle..............................................106 11.1.5.2. Cv équivalent avec 2 vannes en série....................................................107

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    11.2. CHOIX DE VANNE..............................................................................................107 12. TAG ET IDENTIFICATION DE VANNES...................................................................108

    12.1. VANNES TOUT OU RIEN...................................................................................108

    12.1.1. Blow Down Valve ........................................................................................108 12.1.2. Emergency Shut-Down Valve......................................................................108 12.1.3. Remote Operated Valve..............................................................................108 12.1.4. Shut-Down Valve.........................................................................................109 12.1.5. Surface Safety Valve...................................................................................109 12.1.6. Surface Controlled Sub-Surface Safety Valve.............................................109

    12.2. VANNES DE RÉGULATION ...............................................................................110 13. ANNEXES..................................................................................................................111

    13.1. CONSTANTES CRITIQUES DE CERTAINS CORPS LIQUIDE ET GAZ ...........114 14. EXERCICES..............................................................................................................118 15. SOMMAIRE DES FIGURES......................................................................................121 16. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................125 17. CORRIGE DES EXERCICES....................................................................................126

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    1. OBJECTIFS

    Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de connaître tous les typesde vannes et d’actionneurs sur un site industriel à dominance pétrolière.

    En fin de cours, dans le domaine des vannes et des actionneurs, le participant devra êtrecapable de :

    Connaître tous les types de vannes de régulation qui existent,

    Savoir changer le sens d’action d’une vanne,

    Connaître les accessoires d’une vanne de régulation,Savoir faire la différence entre un convertisseur I/P et un positionneurélectropneumatique,

    Savoir régler une vanne de régulation,

    Avoir des notions sur le calcul de Cv d’une vanne.

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    2. INTRODUCTION

    2.1. SITUATION DANS UNE BOUCLE DE REGULATION

    Dans une boucle de régulation, l'organe final de réglage est, le plus souvent, une vanneautomatique qui, par action sur le débit d'un fluide (gaz ou liquide) permet de réguler lagrandeur mesurée :

    Pression

    Débit

    NiveauTempérature, etc.

    La vanne automatique est l’élément final d’une régulation, c’est elle qui agit directementsur le procédé.

    Dans une boucle de régulation, elle a autant d’importance que le « capteur-transmetteur »et que le « régulateur ».

    REGULATEUR ORGANE DECOMMANDE« Vanne »

    PROCEDE

    ORGANE DEMESURE

    « Capteur Transmetteur »

    W Y

    X

    GR

    Figure 1: Position de la « vanne de régulation » dans la boucle de régulation

    W : La consigne Y : Le signal de commande provenant du régulateurGR : La grandeur réglanteX : La mesure provenant du capteur-transmetteur

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    2.2. DEFINITION

    Les vannes sont des organes comportant un orifice de dimension variable, ellespermettent le réglage de débit des fluides.

    Elles sont l’actionneur de la plupart des régulations, ce qui leur confère une importanceconsidérable. C’est pourquoi les catalogues des constructeurs de vannes sont fort bien faitet constituent la meilleure documentation sur ce sujet.

    Le rôle de l’instrumentiste se limite souvent à l’entretien et le réglage des vannesinstallées.

    On constate parfois, en observant le fonctionnement de régulations peu performantes, quela vanne travaille de façon anormale : presque toujours très près de la fermeture, ou aucontraire trop souvent ouverte en grand.

    2.3. ROLE DE LA VANNE

    Une vanne de régulation modifie un débit fluide (grandeur réglante), en fonction du signalprovenant d’un régulateur (signal de commande) ou d’un émetteur et ceci quelques soientles contraintes liées à la circulation du fluide

    2.4. CONTRAINTES

    2.4.1. Dues au fluide

    Le fluide est soit un liquide , soit un gaz (ou vapeur) ou soit un mélange biphasique (liquide-solide, eau-vapeur) et ceci dépendant, de certaines conditions de service, de lacomposition chimique du fluide.

    Exemples :

    Fluide corrosif : attaque ou non des matériaux,

    Fluide toxique : danger en cas de fuite ; classe d’étanchéité,

    Fluide inflammable

    Fluide explosif : en présence d’air ou d’une étincelle,

    Fluide dangereux : au sens de transformation moléculaire ou réaction avecd’autres produits (ex : Oxygène (O2) avec de la graisse),

    Fluide visqueux

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    Fluide chargé de particules solides : érosion, encrassement….

    Changement de phase : solidification, vaporisation, cavitation…. Pression

    Température : Haute, très haute, ou très basse (cryogénie),

    Alimentaire.

    2.4.2. Dues à l’environnement sur la vanne

    Atmosphère Explosive,

    Atmosphère Corrosive,

    Atmosphère Sèche ou Humide,

    Atmosphère Saline (entreprise en front de mer),

    Les vibrations,

    Les parasites (moteur électrique, orage,…).

    2.4.3. Dues à l’influence de la vanne sur l’environnement

    Bruit : décibel acoustique (dBA),

    Vibration : problème de serrage de vis.

    2.4.4. Dues aux conditions de montage

    Diamètre nominal de tuyauterie

    Place restante pour les vannes d’isolement, de by-pass.

    Toutes ces conditions vont être déterminantes pour le choix et le type de vanne à utilisersur un process d’exploitation.

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    2.5. TECHNOLOGIE D’UNE VANNE DE REGULATION

    La vanne est décomposée en deux ensembles distincts :Le corps

    L’actionneur

    Figure 2: Technologie d’une vanne de régulation

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    Figure 3: Les deux ensembles d’une vanne de régulation

    L’actionneur est un élément permettant de moduler la section de passage en modifiant laposition de la tige support de l’obturateur.

    Le corps englobe le corps de la vanne avec ses sièges, obturateur, goujons,… et lechapeau de presse-étoupe.

    Note : Le débit circulant dans le corps est fonction de la section de passage mais aussi dela pression de la bride amont.

    C’est l’élément de la vanne connectée à tuyauterie et à travers lequel circule le fluide.

    Les vannes de petite dimension sont connectées par raccords "union".

    Les vannes de grande dimension sont connectées par brides ou par soudage .

    L’ACTIONNEUR

    LE CORPS

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    Remarque :

    L’actionneur peut être :Un simple volant : vanne dite « manuelle »,

    Un électro-aimant : excité ou non, vanne électrique tout ou rien,

    Un vérin

    Un moteur électrique

    Un servomoteur : Nom donné généralement à l’instrument situé au dessus ducorps et travaillant en pneumatique.

    Le Vérin, le moteur électrique, le servomoteur, étant tous les trois ‘motorisés ’, permettent la commande à distance, et seront par conséquent employés en régulationanalogique et numérique.

    2.6. CARACTERISTIQUES DES VANNES DE REGULATION

    2.6.1. Caractéristique intrinsèque de débit

    2.6.1.1. Définition

    C’est la loi représentant le débit en fonction de la course du clapet (ou obturateur), à ∆ Pconstante.

    Il existe trois caractéristiques fondamentales :

    La caractéristique linéaire,

    La caractéristique égal pourcentage (égal %),

    La caractéristique à ouverture rapide.

    2.6.1.2. La caractéristique linéaire

    Le débit évolue linéairement en fonction du signal. La caractéristique est une droite. Desaccroissements égaux du signal vanne provoquent des accroissements égaux de débit.

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    Figure 4: Caractéristique de débit linéaire

    2.6.1.3. La caractéristique égal pourcentage

    La caractéristique est une exponentielle. Des accroissements égaux du signal vanneprovoquent des accroissements égaux de débit relatif.

    Figure 5: Caractéristique de débit égal pourcentage

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    2.6.1.4. La caractéristique à ouverture rapide

    Figure 6: Caractéristique de débit à ouverture rapide

    Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pouratteindre alors environ 80% du débit maximum.

    Elle est aussi appelée « caractéristique de débit Tout Ou Rien ».

    Cette caractéristique est très utilisée pour la sécurité avec des vannes Tout Ou Rien.

    2.6.1.5. Coefficient de réglage intrinsèque ou rangeabilité

    Une vanne de régulation ne peut assurer un réglage efficace que pour une plage de débitdéterminée. Cela est traduit par un coefficient R.

    R = (débit maximal contrôlable) / (débit minimal contrôlable)

    La rangeabilité exprime la capacité d’une vanne à contrôler les faibles débits. Ainsi unevanne dont la rangeabilité est de 100 permettra le contrôle d’un débit minimum 100 foisplus faible que le débit maximum.

    On dira également que la plage de réglage est de 1 à 100.

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    3. LES TYPES DE VANNE

    Nous allons voir dans un premier temps les différents types de corps de vanne.La taille du corps de la vanne de régulation est proportionnelle au déplacement del’obturateur.

    On distingue en outre :

    Les corps longitudinaux : déplacement de l’obturateur en translation. Le plussouvent appelé « Vanne Linéaire »,

    Les corps angulaires : Déplacement de l’obturateur en rotation. Le plus souventappelé « Vanne Rotative ».

    3.1. VANNE À ACTION LINÉAIRE

    Elles sont encore appelées « vannes classiques » . L’obturateur est un clapet déplacé parle servomoteur par un mouvement de translation.

    3.1.1. Vanne à clapet avec un corps à simple siège

    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Bonne à très bonne étanchéité Pertes de charges relativement importantes

    Construction relativement facile Nécessité de servomoteur de tailleimportante (forte pression sur le clapet)

    Table 1 : Avantages et Inconvénients du simple siège

    La position du clapet devant le siège détermine la section de passage du fluide. L

    L’étanchéité au niveau de la tige est assurée par lagarniture de téflon (par exemple).

    La forme du clapet définit la caractéristique statique dela vanne. On peut obtenir une bonne étanchéité de lavanne fermée car le clapet s’appuie sur la portée dusiège.

    Figure 7: Déplacement du fluide dans un corps àsimple siège

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    La poussée du fluide sur le clapet peut être très forte en cas de pertes de chargesimportantes, impliquant la nécessité d’utiliser un servomoteur puissant.

    Sur la figure, nous voyons bien comment le fluide se déplace en traversant le corps devanne à simple siège. Cela nous permet de mieux voir le fonctionnement de la vannequand la tige de clapet se lève et libère ainsi le clapet de son siège.

    1 Tige de clapet 11 Joints de corps2 Goujons de bride de PE 12 Guide de clapet3 Écrou de bride de PE 13 Cage4 Bride de presse-étoupe 14 Siège5 Grain de presse-étoupe 15 Joint de siège6 Garniture de presse-étoupe 16 Clapet7 Entretoise de presse-étoupe 17 Goupille de clapet8 Chapeau 18 Corps9 Goujons de corps 19 Écrou d’arcade

    10 Écrou de goujons de corpsFigure 8: Corps à simple siège

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    3.1.2. Vanne à clapet avec un corps à double siège

    1 Tige de clapet 11 Écrou de goujon de corps2 Écrou de bride de PE 12 Goujon de corps3 Bride de presse-étoupe 13 Joint de corps4 Goujon de bride de PE 14 Guide de clapet5 Écrou d’arcade 15 Siège inférieur6 Chapeau 16 Siège supérieur7 Corps 17 Garniture de presse-étoupe8 Goupille de clapet 18 Entretoise de garniture9 Clapet 19 Grain de presse-étoupe10 Bride de fond

    Figure 9: Corps à double siège

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    Les forces sur le système d’obturation tendent à s’équilibrer du fait que le fluide essayed’ouvrir un clapet et de fermer l’autre.

    Ces faibles forces permettent une meilleure stabilité de la vanne et de choisir unservomoteur de plus faible diamètre pour une vanne de même capacité.

    La plupart des systèmes d’obturation sont également réversibles

    Elles ne permettent pas une très bonne étanchéité à la fermeture due au fait que les deuxclapets ne peuvent jamais porter en même temps sur les deux sièges.

    Figure 10: Déplacement du fluide dans un corps à double siège

    Cette figure représente le même principe de déplacement de fluide à part que nous avonsun corps à double siège.

    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Équilibrage presque parfait des forces Moins étanche à la fermeture que la simple

    siège

    Ne nécessite pas de gros servomoteur Construction plus complexe

    Table 2 : Avantages et Inconvénients du double siège

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    3.2. VANNE À CAGE

    C’est une vanne de type simple siège / clapet qui associe les avantages de la vannedouble siège / clapet.

    Le système d’obturation permet un excellent guidagedu clapet (piston) et un échange rapide de la cage(cylindre).

    La possibilité d’installer un joint torique autour dupiston réduit les possibilités de fuite.

    Le piston est équilibré, car la pression avale agit de

    part et d’autre de ces faces.La direction préférentielle du débit se fait de l’extérieurvers l’intérieur du piston pour assurer une meilleurestabilité.

    Les ouvertures de la cage sont usinées en fonction dela caractéristique de débit.

    Figure 11: Vanne à cage

    Remarque :

    Il existe différents types de cage :

    cage équilibrée ou non,

    cage simple ou double portée,

    cage anti-bruit,

    cage anti-cavitation.

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    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Excellente aptitude à résister aux pertes decharge importantes Conception plus complexe

    Excellente étanchéité Corps droit non réversible

    AntibruitRisque de coincement de l'obturateur dans

    la cage avec des fluides chargés departicules solides

    Équilibrage grâce aux trous dansl'obturateur

    Anti-cavitation

    Le changement de cage est aisé

    Anti-flash

    Peut être utilisée dans les conditionsextrêmes :

    vitesse jusqu’à 130 m/stempérature d’utilisation -200 à + 600°Cpression jusqu’à 2500 bar

    Maintenance facile et rapide

    Table 3 : Avantages et Inconvénients de la vanne à cage

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    3.3. VANNE 3 VOIES

    Les vannes 3 voies sont conçues pour réguler soit un mélange, soit une dérivation defluide. On remarquera en particulier que ce type de vanne possède une grande capacitéde débit et une faible récupération.

    La capacité de débit est l’une des meilleures des vannes 3 voies actuelles. Larécupération de pression est réduite.

    Ces vannes ont aussi été conçues pour être installées avec le fluide tendant à ouvrir leclapet double (vanne de mélange) ou chacun des clapets (vanne de dérivation). Cemontage apporte l’avantage d’un fonctionnement stable de la vanne.

    Figure 12: Vanne 3 voies mélangeuse

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    Figure 13: Vanne 3 voies de dérivation

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    3.4. VANNE À MEMBRANE

    La vanne à membrane est une alternative de la vanne à boisseau sphérique. Elle estutilisée comme vanne Tout ou Rien sur des petites utilités (exemple : injection eau chaudepour nettoyage séparateur à bride de transmetteur de niveau, etc….).

    Elle est pilotée par une « électrovanne » (voir chapitreaccessoire de vanne ). Quand on demande l’ouverture, la bobinede l’électrovanne est excitée et envoi donc l’air du distributeurdans la tête de vanne et ceci déforme la membrane, ce quilaisse passer le fluide à travers le corps de la vanne.

    Elle est utilisée dans le cas de fluides très chargés de particules

    solides, ou très corrosifs. La section de passage est obtenueentre une membrane déformable en caoutchouc synthétiquegénéralement et la partie inférieure du corps de vanne .

    Figure 14: Vanne à membrane

    Figure 15: Schéma principe de la vanne à membrane

    La force "Fs" développée par le servomoteur doit vaincre la force "Fp" créée par lapression statique sur la membrane.

    FP

    Fs

    Membrane souple

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    3.6. VANNE MICRO DÉBIT À CV AJUSTABLE

    1 Corps 9 Bride de presse-étoupe2 Siège 10 Goujons de la bride de presse-étoupe3 Clapet 11 Écrou de goujons de presse-étoupe4 Joint de siège 12 Bouchon de sécurité5 Bague de serrage du siège 13 Réglage du coefficient de vanne6 Garnitures 14 Couvercle7 Grain de presse-étoupe 15 Commande manuelle8 Entretoise de presse-étoupe

    Figure 17: Vanne microdébit à Coefficient de vanne variable (Varipak)

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    La possibilité d'ajustement du Cv surcette vanne à pointeau permet des'affranchir des incertitudes liées au

    dimensionnement de la vanne,incertitudes conduisant souvent à choisirune vanne se révélant trop grande ettravaillant à une ouverture trop faible

    Le coefficient de débit Cv de la Varipakest ajustable sans modification du signalpneumatique de commande. Cetteopération manuelle très facile peuts’effectuer avant l’installation mais aussilorsque la vanne est en fonctionnement.

    Le clapet sur ce type de vanne est unpointeau.

    Figure 18: Exemple de vanne àmicrodébit

    Figure 19: Réglage du Cv

    Pour savoir ce qu’est le Cv d’une vanne, veuillez vous référer dans le chapitre de ce cours‘Dimensionnement de Vanne ’.

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    3.7. VANNE ROTATIVE

    3.7.1. Vanne papillon

    L'obturateur est un disque dont le diamètre est égal au diamètre intérieur de la conduite. Ëla fermeture, ce disque a sa surface perpendiculaire au sens du passage du fluide. Lavariation de la section de passage se fait par inclinaison de ce disque par rapport à laverticale.

    La tige de l'obturateur effectue un mouvement de rotation, ce qui est nettement préférablepour le presse étoupe (meilleure étanchéité). Cette rotation est souvent limitée à un angled'ouverture de 60° à cause de l'importance du couple exercé par le fluide.

    Figure 20: Vanne papillon

    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Vanne à passage direct (la veine de fluideest peu perturbée à pleine ouverture) Tendance à la cavitation

    Papillon tournant avec ou sans butée (labutée assure une meilleure étanchéité)

    Le mauvais équilibrage limite la pressiondifférentielle admissible, même lorsque, par

    sa forme, le papillon est équilibré.

    Conception simple et robuste

    Vanne utilisée surtout pour les gaz et lesconduites de gros diamètre

    Table 6 : Avantages et Inconvénients de la vanne papillon

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    Ce type de vanne n'est réalisable que pour des grands diamètres DN > 4". Vu la surfacede l'obturateur et la forme de celui-ci, il ne peut être utilisé pour des pressions trèsélevées. Du fait de la grande longueur de portée du papillon sur le corps (qui forme aussi

    le siège), l'étanchéité à la fermeture est délicate à obtenir, donc mauvaise le plus souvent. A noter aussi un frottement du à la force de poussée du liquide qui plaque la tige deobturateur contre la garniture (effort transversal).

    3.7.2. Vanne à opercule sphérique dit « Vanne à boule »

    Figure 21: Vanne à boule

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    Contient une sphère ou boule de diamètre nominal généralement égal à celui de latuyauterie.

    La boule peut pivoter de 90° par l’intermédiaire d’une tigeaccouplée à un servomoteur.

    La boule est en contact continu avec un joint torique quiassure une excellente étanchéité.

    Les vannes à boule standard sont utilisées dans lessystèmes de sécurité (TOR) ou comme vanne derégulation.

    Les vannes à boule modifiée avec une échancrure en "V"ont une caractéristique égale pourcentage et conviennentaux fluides visqueux, chargés de particules solides ou defibres.

    Le fluide a tendance à fermer le système d’obturation, leservomoteur doit s’opposer à cet effet

    Figure 22: Exemple de vanne à boule

    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Obturateur constitué d’une sphère creuseentaillée selon la caractéristique intrinsèque

    désiréeTendance à la cavitation

    Vanne à passage direct, pour fluidevisqueux ou fibreux

    Bonne étanchéité

    Forte pression différentielle admissible

    Table 7 : Avantages et Inconvénients de la vanne à boule

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    3.7.3. Vanne à clapet semi rotatif excentré

    Figure 23: Vanne à opercule sphérique excentré

    Le principe de fonctionnement est basé sur un obturateur sphérique, à mouvement rotatifexcentré, dans un corps à passage direct. La partie sphérique de l’obturateur est reliée parun ou deux bras flexibles emmanché sur l’arbre.

    L’actionneur pousse plus ou moins le levier en fonction du signal pneumatique qu’il reçoit,ce qui entraîne une rotation de l’arbre et donc une rotation de l’obturateur.

    Un léger jeu latéral du moyeu sur l’arbre permet l’auto centrage de l’obturateur.

    L’étanchéité rigoureuse entre siège et obturateur est obtenue par déformation élastiquedes bras de l’obturateur.

    Le siège, légèrement chanfreiné est fixé dans le corps au moyen d’une bague de serragefiletée.

    Ce type de vanne est couramment utilisé en industrie, elle est universelle.

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    Figure 24: Vue en coupe de l’opercule sphérique excentré

    Figure 25: Schéma de fonctionnement de la vanne à opercule sphérique excentré

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    AVANTAGES INCONVENIENTS

    Vanne à passage direct, de faibleencombrement, généralement monté entre

    brides

    Tendance à la cavitation supérieure auxvannes droites, mais inférieures aux

    vannes papillon

    Convient aux fluides visqueux et chargés

    Bonne étanchéité avec une portéerecouverte de téflon ou de plastique

    Table 8 : Avantages et Inconvénients de la vanne à opercule excentré

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    4. LES TYPES DE CLAPETS

    Pour obtenir les 3 caractéristiques fondamentales que nous venons de voirprécédemment, il nous faut changer sur une vanne le type de clapet. C’est le clapet qui vamodifier le débit du fluide traversant le corps de vanne.

    DEBIT EN%

    COURSE DE LA VANNE EN %

    OUVERTURERAPIDE

    LINEAIRE EGALPOURCENTAGE

    LINEAIREMODIFIEE

    PARABOLIQUEMODIFIEE

    Figure 26: Les divers clapets et la caractéristique de débit

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    4.1. CLAPET LINEAIRE A OUVERTURE RAPIDE

    Une augmentation maximum de débit est produite par une course d’environ 30%, puiscette augmentation diminue au fur et à mesure que la course approche de 100 %.

    Utilisés principalement dans les boucles de régulation TOR, et les systèmes de sécurité.

    GUIDESUPERIEUR

    GUIDEINFERIEUR

    GUIDE DUCLAPET CLAPETSIMPLE

    CLAPET DOUBLE

    Figure 27: Clapet à ouverture rapide

    4.2. CLAPET LINEAIRE

    Le débit est directement proportionnel àl’ouverture de la vanne tout le long de sacourse.

    Utilisés dans les boucles de régulation deniveau et d’une façon générale dans lesprocédés ayant un gain constant.

    Figure 28: Clapet linéaire

    4.3. CLAPET LINEAIRE MODIFIE

    Réalisent un compromis entre caractéristique linéaire et ouverture rapide.

    Dans les zones extrêmes de débit élevé et plusparticulièrement de débit faible, une grande courseproduit une faible variation de débit.

    Figure 29: Clapet linéaire modifiéCLAPETSIMPLE CLAPET

    DOUBLE

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    4.4. CLAPET EGAL POURCENTAGE

    Des augmentations égales de courseproduisent des augmentations égales dedébit.Près de la fermeture, les variations dedébit sont faibles; de 0 à 30% de course, ledébit passe de 0 à environ 9%.

    Figure 30: Clapet égal pourcentage

    Près de l’ouverture, lesvariations de débit sontrelativement importantes;entre 80 et 100 % de course,le débit varie d’environ 50 %.

    Utilisés dans les boucles de régulation de pression et d’une façon généraledans les procédés où seulement une faible proportion de la perte de chargetotale peut être absorbée par la vanne.

    Figure 31: Clapet égal pourcentage tourné en V

    4.5. CLAPET PARABOLIQUE

    Compromis entre caractéristique linéaire et égal pourcentage, ils présentent unecaractéristique linéaire aux fortes valeurs de débit et de course.

    Utilisés dans les boucles de

    régulation de pression, de débit et,d’une façon générale dans lesprocédés où une forte proportionde la perte de charge totale peutêtre absorbée par la vanne .

    Figure 32: Clapet parabolique

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    5. LES TYPES DE CAGES

    Comme le clapet, les vannes à cages possèdent différents types de cages qui vontmodifier la caractéristique de débit.

    Les caractéristiques ouverture rapide, linéaire, et égal pourcentage sont déterminés par laforme des ouvertures de la cage

    5.1. LA CAGE A OUVERTURE RAPIDE

    Figure 33: Cage à ouverture rapide

    5.2. LA CAGE LINEAIRE

    Figure 34: Cage linéaire

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    5.3. LA CAGE EGAL POURCENTAGE

    Figure 35: Cage égal pourcentage

    5.4. LA CAGE ANTI-BRUIT

    Figure 36: Cage anti-bruit

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    6. LE CHAPEAU

    Élément installé sur le sommet du corps de vanne, il permet l’étanchéité de la tige declapet.

    Sert de guide à la tige de clapet(s), contient le presse étoupe et supporte le servomoteur.

    Pour des températures >= 200 °C, des ailettes de refroidissement sont utilisées

    Pour des températures

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    6.1. LE PRESSE-ETOUPE

    Le presse étoupe est un système d’étanchéité très largement utilisé. Son principe defonctionnement est d’assurer l’étanchéité par la compression de plusieurs tresses(garniture) à l’aide du fouloir autour de la tige du clapet.

    Les rondelles de presse étoupe ou les tressesdoivent assurer l’étanchéité du corps avec unminimum de friction sur la tige du clapet.

    Généralement réalisées en matière souple etcompressible comme le téflon (t < = 230 °C)

    ou le graphite (t > 230 °C).La matière du presse-étoupe (terme exact ‘garniture d’étanchéité ‘)est étudié enfonction du fluide.

    Périodiquement, la pression sur les rondellesdoit être réglée correctement pour minimiserles fuites; par l’intermédiaire de la bride et dufouloir

    Figure 38: Le presse-étoupe d’une vanne

    Pour une étanchéité absolue, un soufflet solidaire de la tige de clapet (on appelle ça une"extension" ou un "soufflet d'extension").

    Le soufflet d’étanchéité assure une étanchéité totale entre la tige devanne et le chapeau. Cette technologie est proposée typiquement pourles applications où circulent des fluides toxiques, inflammables ouexplosifs pour lesquels toute fuit peut avoir des conséquences gravespour le personnel et l’environnement.

    Figure 39: Le soufflet d’étanchéité

    Le soufflet

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    6.2. GARNITURE D’ETANCHEITE

    En maintenance, nous connaissons mieux les garnitures d’étanchéité sous le nom de‘Tresses ’.

    Vous avez deux types de garnitures d’étanchéité :

    Les rondelles de presse-étoupe : elles sont déjà toutes faites avec le diamètreque vous désirez.

    Figure 40: Rondelles de presse-étoupe en graphite et PTFE

    Les tresses : elles sont sous forme de bobines et c’est à l’instrumentiste decouper la bonne longueur de tresse pour que cela corresponde au diamètre dufouloir.

    Figure 41: Exemple de tresses en graphite et PTFE

    Les deux types de tresses que nous venons de voir sur la figure ci-dessus sont les pluscouramment utilisés. La tresse graphite sert beaucoup sur des vannes qui se trouvent enchaufferie avec de très hautes températures et des hautes pressions.

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    Pour tout le reste, nous utilisons la tresse en PTFE (téflon).

    Il est important en maintenance de vérifier les garnitures car nous avons l’habitudede nous dire ‘ oh j’ai du resserré le presse étoupe de tel vanne car il fuyait un peu’.

    Mais ce qu’il faut savoir c’est qu’à force de resserrer les presse-étoupe de vanne,les tresses vont se tasser et ne seront plus étanche.

    Figure 42: Mauvaise étanchéité, fuite au presse-étoupe

    Vous voyez sur la figure ci-dessus le résultat d’une vanne non entretenue.

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    7. LE SERVOMOTEUR

    Le servomoteur est l'organe permettant d'actionner la tige de clapet de la vanne. L'effortdéveloppé par le servomoteur à deux buts :

    Lutter contre la pression agissant sur le clapet ;

    Assurer l'étanchéité de la vanne ;

    Ces deux critères conditionnent le dimensionnement des servomoteurs. Le fluide moteurpeut être ; de l'air, de l'eau, de l'huile, du gaz.

    En général, le fluide d’alimentation (1,4 bar ou 2.1 bar) est de l'air et la pression decommande varie de 0,2 bar à 1 bar. On distingue :

    Le servomoteur classique à membrane, conventionnel (à action direct ouinverse),

    Le servomoteur à membrane déroulante, surtout utilisé pour les vannes rotatives(exemple : vanne masoneilan CAMFLEX),

    Le servomoteur à piston, utilisé lorsque les efforts à fournir sont très importants.La pression de commande peut être importante. Le fluide moteur peut être del'air, de l'eau ou de l'huile,

    Le servomoteur électrique, utilisé pour les vannes rotatives. On associe à unmoteur électrique avec un réducteur permettant ainsi d'obtenir des couples trèsimportants,

    Le servomoteur Hydraulique, utilisé sur des vannes de shutdown.

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    7.1. LE SERVOMOTEUR PNEUMATIQUE

    7.1.1. Servomoteur à membrane classique

    Figure 43: Servomoteur à membrane

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    7.1.1.2. Description

    Le servomoteur à membrane déroulante est le plus couramment utilisé.

    Figure 44: Schéma simplifié sur servomoteur à membrane

    Ce servomoteur est constitué de :

    Une membrane en caoutchouc,

    Un ressort de rappel,

    Un réglage de course de tige de clapet.

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    7.1.2. Servomoteur à membrane avec multi ressort

    Cette conception de servomoteur pneumatique àmultiples ressorts de rappel réduit les efforts sur latige de clapet.

    Sa membrane déroulante subit moins d’effort doncelle s’use moins vite.

    Figure 45: Vue en coupe d’un servomoteur à

    multiple ressort de rappel

    7.1.3. Servomoteur à membrane déroulante

    Figure 46: Servomoteur à membrane déroulante

    Le servomoteur à membrane déroulante est constitué d'un cylindre serré entre 1 flasquepar 4 vis BTR. La membrane déroulante est fixée à la fois au cylindre et au piston solidairede la position du ressort.

    Ressort

    Plateau demembrane

    Accouplementavec levier dela vanne

    Tige duressort

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    Contrairement au servomoteur classique où le déplacement de l'ensemble plateaumembrane est faible, le Servomoteur dispose d'une course importante.

    L’accouplement du servomoteur au levier de la vanne se fait par l’intermédiaire d’un petitcylindre emmanché avec un cerclips.

    Ceci permet une plus grande précision du positionnement de l'obturateur.

    La membrane déroulante est de plus en plus utilisée, on la trouve sur les vannes àopercule sphérique et opercule sphérique excentré (vanne rotative).

    Son coût est relativement faible et nous avons une facilité et une rapidité de maintenanceénorme.

    7.1.4. Servomoteur à piston

    Figure 47: Servomoteur à piston

    Les servomoteurs à piston fonctionnent à des pressions beaucoup plus élevées que ceuxà membrane.

    Ces pressions pneumatiques ou hydrauliques peuvent être de plusieurs dizaines de bar.

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    Ils sont capables de développer des forces et des courses beaucoup plus importantespermettant de vaincre de très fortes chutes de pression à travers le corps de vanne.

    Les vannes de sécurité utilisent des pistons:

    simple effet avec ressort de rappel quipermet de revenir à la position de sécuritéde la vanne en cas de manque d’air.

    Figure 48: Schéma simplifié servomoteur à pistonsimple effet pour vanne linéaire

    double effet avec accumulateurhydraulique ou réservoir pneumatique qui sont utilisés en cas de manque depression pour ramener la vanne dans sa position de sécurité.

    Figure 49: Servomoteur à piston double effet pour vanne rotative

    Sans ressort de rappel, il n’y a pas de position de sécurité possible.

    Le servomoteur double effet a pour particularité d’avoir deux entrées d’air car nousenvoyons de l’air d’un côté du piston pour ouvrir la vanne et de l’autre côté du piston pour

    fermer la vanne, cela est normal car nous n’avons pas de ressort de rappel.Les servomoteurs à piston sont très souvent associés avec des vannes papillon. Ilspeuvent être utilisés en vanne Tout Ou Rien, ou alors aussi en vanne de régulation avecun positionneur électro-pneumatique.

    Généralement, quand nous avons un servomoteur à piston comme vanne de régulationc’est que les conditions de service ont des pressions très élevées sur des gros diamètresde tuyauterie.

    Ils sont comme les servomoteurs à membrane car ils peuvent être montés soit sur une

    vanne à déplacement linéaire ou soit sur une vanne à déplacement angulaire (rotative).

    Air pourfermeture de lavanne

    Air pourouverture de lavanne

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    7.2. LE SERVOMOTEUR HYDRAULIQUE

    7.2.1. Constitution

    Figure 50: Servomoteur hydrauliqueUn servomoteur hydraulique est composé de :

    Une pompe hydraulique,

    Un réservoir hydraulique,

    Un distributeur hydraulique,

    Une commande de vanne,

    L’actionneur composé de un ou deux cylindres.

    Ce type de servomoteur est utilisé sur des process de très hautes pressions, la pressionde service peut aller jusqu’à une centaine de bars. Et aussi sur basse pression maisl’ouverture de vanne est plus longue car un système hydraulique a beaucoup de couple.

    Comme pour le servomoteur à piston, le servomoteur hydraulique peut être à cylindresimple effet ou double effet.

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    7.2.2. Fonctionnement

    In this simple hydraulic actuator, astream of hydraulic fluid can bedirected into either of two chambers.

    If hydraulic fluid is added to chamber1, the piston moves right, closing thevalve.

    When hydraulic fluid is added tochamber 2, the action is reversed.Hydraulic pressure pushes the piston

    to the left and the valve opens.Pour plus de détail sur l’actionneurhydraulique, veuillez vous reportersur le cour « Hydraulique etPneumatique ».

    Figure 51: Schéma de principe decommande d’un servomoteurhydraulique

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    7.3. LE SERVOMOTEUR ELECTRIQUE

    7.3.1. Servomoteur avec moteur et réducteur

    Figure 52: Servomoteur électrique avec moteur et réducteur

    L’avantage de cet actionneur est que nous avons juste besoin d’un signal électrique pourfaire ‘tourner’ le moteur et la vanne associée peut ainsi soit ouvrir soit fermé.

    Ce type de moteur est réversible car il tourne dans les deux sens de rotation. Il est équipéd’un réducteur qui permet de réduire le couple afin d’éviter que le moteur électrique neforce sur sa crémaillère.

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    7.4. SENS D’ACTION

    7.4.1. Sens d’action du corps de vanneLe sens d’action du corps de vanne dépend du système d’obturation (clapet + siège).

    Corps de vanne à action directe : une sortie de la tige de clapet provoque lafermeture du système d’obturation.

    Figure 56: Corps de vanne à action directe

    Sur la figure de gauche, vous aviez remarqué que c’est un corps de vanne àsimple siège et sur la figure de droite un corps à double siège

    Corps de vanne à action inverse : une sortie de la tige de clapet provoquel’ouverture du système d’obturation.

    Figure 57: Corps de vanne à action inverse

    Remarque :

    Certains corps sont réversibles, c'est-à-dire, que par simple démontage du clapet il estaisé de changé l’action.

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    7.4.2. Sens d’action du Servomoteur

    En cas de panne d'air, par action du ressort antagoniste, le servomoteur prend uneposition extrême permettant d'amener l'obturateur en position de fermeture ou d'ouverturecomplète.

    Ces types de servomoteurs ne posent donc pas de problème particulier pour le respect dela spécification, servomoteurs directs ou inverses

    Servomoteur à action direct : l’action est directelorsque la pression d’air modulé de commandeaugmente, la tige du clapet descend

    Figure 58: Servomoteur direct

    Servomoteur à action inverse : l’action estinverse lorsque la pression d’air module decommande augmente, la tige du clapet monte

    Figure 59: Servomoteur inverse

    7.4.3. Du positionneur

    Positionneur direct : Lorsque le signal d’entrée augmente, le signal de sortieaugmente.

    Positionneur inverse : Lorsque le signal d’entrée augmente, le signal de sortiediminue.

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    7.4.4. Cas particulier avec le servomoteur à piston ‘double effet’

    En cas de panne d'air, le piston prend une position quelconque selon la force exercée parle fluide sur l'obturateur de la vanne.

    Afin de forcer la position de l'obturateur, il est donc nécessaire de prévoir un dispositifcomprenant une réserve d'air comprimé et des éléments de commutation permettantd'amener la vanne à la position choisie en cas de panne d'air de réseau de distribution.

    7.5. POSITION DE SECURITE

    7.5.1. Aspect sécurité de la vanne (corps + servomoteur)Quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur, le ressort ramène la vanne dans saposition ouverte ou fermée, cette position étant définie à la construction.

    Une vanne "Fail Closed " ou fermée par manque d’air, se ferme quand il n’y aplus de pression sur le servomoteur.

    Une vanne "Fail Open" ou ouverte par manque d’air, s’ouvre quand il n’y a plusde pression sur le servomoteur.

    Le choix dépend essentiellement des conditions de sécurité pour le procédé.

    VANNEOUVERTE

    NORMALEMENT OUVERTE

    VANNEFERMEE

    NORMALEMENT FERMEE

    Figure 60: Position de sécurité de la vanne

    Remarque : Lorsque le positionneur est électro-pneumatique, il y a de grande chance qu’ilsoit de signe direct

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    Servomoteur Inverse

    Clapet direct Clapet inverse

    Servomoteur Direct

    Clapet Inverse Clapet direct

    - Air Ferme - Vanne

    Fail Open

    -Air Ouvre – Vanne

    Fail Closed

    Figure 61: Différentes possibilités de position de sécurité d’une vanne

    7.5.2. Aspect sécurité de la vanne avec son positionneur

    Table 9 : Combinaisons de position de sécurité vanne avec positionneur

    Sens Action dupositionneur

    Aspectsécurité dela vanne

    Chronogramme des états particuliers

    P S Pasd’alimentation4 mA

    200 mbar20 mA

    1000 mbarDirect Direct Ouverte Ouverte FerméeDirect Inverse Fermée Fermée Ouverte

    Inverse Direct Ouverte Fermée OuverteInverse Inverse Fermée Ouverte Fermée

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    8. LES ACCESSOIRES DE VANNE

    8.1. LE POSITIONNEUR

    Quel est le rôle d’un positionneur ?

    Le positionneur est un dispositif permettant d’asservir la course du clapet au signal decommande provenant du régulateur.

    Pour un bon fonctionnement de la régulation, il est indispensable que la course du clapetdemeure exactement proportionnelle à la valeur du signal de sortie du régulateur.

    Cependant, certaines forces parasites peuvent gêner le mouvement du clapet :Poussée exercée par le fluide (surtout, cas des clapets simple siège)

    Frottement de la tige de transmission dans le Presse-étoupe

    Ressort exerçant une force qui n'est pas exactement proportionnel audéplacement qu'il subit (hystérésis)

    Variation de surface due à la déformation de la membrane, etc…

    Ces forces dépendent des conditions de service, conditions sévères → Forces élevées

    Fluide visqueux ou chargé

    Pression différentielle élevée , etc…

    Il est alors nécessaire pour obtenir une position de clapet qui corresponde à la valeur dusignal de commande de compléter la chaîne de régulation par un positionneur.

    Nous avons 3 types de positionneur qui s’adapte sur une vanne de régulation :

    Le positionneur pneumatique

    Le positionneur électro-pneumatique

    Le positionneur ‘intelligent’ (numérique)

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    8.1.1. Le positionneur pneumatique

    8.1.1.1. Ses fonctionnalitésLa fonction du positionneur pneumatique est d’assurer un asservissement linéaire ou autreentre la course de vanne et un signal pneumatique émis par un régulateur.

    Il a aussi une autre fonction, c’est de modifier la caractéristique naturelle d’une vanne aumoyen d’une came profilée selon la caractéristique désirée.

    Il peut aussi être configuré pour la commande ‘en cascade’ (Split-Range) de plusieursvannes et peuvent être utilisés avec une alimentation pneumatique augmentée luipermettant de faire fonctionner les vannes sous de plus grandes pressions différentiellesde service

    On peut aussi inverser le sens d’action des vannes par l’intermédiaire du positionneur.

    8.1.1.2. Constitution

    Le positionneur pneumatique est constitué des éléments suivants :

    La came profilée : c’est l’élément intermédiaire entre le dispositif de contre-réaction, entre l’actionneur de vanne et le ressort du positionneur. Son profildétermine la relation entre la position de l’obturateur de la vanne et le signal émispar le régulateur. Les caractéristiques « linéaire » ou « égal pourcentage » sontdisponibles par sélection du secteur approprié de la came.

    Le pilote : C’est un petit distributeur à tiroir 3 voies. Le tiroir règle les débits d’aircomprimé de l’alimentation vers la sortie sur l’actionneur et la sortie vers l’orificed’échappement. La position de ce tiroir est commandée par le diaphragme,détermine la pression de sortie de l’actionneur. L’action du positionneurpneumatique peut être inversée en intervertissant les connexions d’alimentation

    et d’échappement et en changeant le secteur de came et l’orientation du levier.Le ressort de rappel : il permet de faire glisser le tiroir du pilote dans ledistributeur.

    Le ressort de contre-réaction : Il permet de faire pivoter la came en faisantvarier plus ou moins la rotation du levier. Cette variation est due à la pressionexercée sur le diaphragme.

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    8.1.1.3. Son principe de fonctionnement

    Le positionneur pneumatique est basé sur le principe d’un mécanisme à équilibre deforces : la pression d’un signal pneumatique appliquée sur un diaphragme est opposée àla force d’unressort de contre réaction .

    A l’état d’équilibre, si le signal pneumatique varie, l’ensemble dediaphragme se déplace.Le mouvement entraîne le tiroir du pilote qui est poussé par le ressort de rappel .

    Le déplacement du tiroir met le circuit de sortie alternativement en communication avecle circuit d’alimentation ou l’orifice d’échappement, modifiant ainsi la pression appliquéesur l’actionneur.

    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 ressortéquilibre exactement celle développée par la pression du signal pneumatique sur lediaphragme. A cet état d’équilibre, la position de l’obturateur de la vanne devant le siègecorrespond à celle demandée par le signal du régulateur.

    Figure 62: Schéma de fonctionnement du positionneur pneumatique

    Échappement

    Signal sortievers

    actionneur

    Alimentation

    Signal pneumatique

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    Figure 63: Positionneur pneumatique Masoneilan

    Figure 64: Vue de la came avec levier et son ressort de contre-réaction

    Nous avons vu que dans les fonctionnalités du positionneur, la came pouvait changer lacaractéristique de la vanne : voici les positions de came et orientation du levier de la camed’une CAMFLEX II ou VARIMAX de chez MASONEILAN

    Signal Sortie0,2-1 bar

    Alimentation1,4 bar

    Signalrégulateur0,2-1 bar

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    Figure 65: Orientation levier et position de came MASONEILAN

    8.1.1.4. Les Pannes

    Les principales pannes que vous pouvez rencontrer sur ce type de positionneur sont :

    L’orifice d’échappement est bouché donc la vanne ne régule plus et reste fixe àune certaine position,

    La came est desserrée, cela est souvent dû à des vibrations,

    Le tiroir du pilote se bloque, il se peut que l’air dans le positionneur se condenseet donne un peu d’humidité dans le tiroir : ce qui fait que le tiroir se grippe.

    A part ces diverses petites pannes qui peuvent arriver, le positionneur pneumatique resteun positionneur très résistant grâce à son mécanisme et peu de maintenance est requisesur ce matériel.

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    8.1.2. Le positionneur électropneumatique

    8.1.2.1. ConstitutionLe positionneur électro-pneumatique est constitué des éléments suivants :

    Un système de balancier (buse palette) : le déséquilibre provoqué par lavariation du signal électrique dans l’électroaimant va faire varier le signal desortie de la buse vers l’actionneur.

    Figure 66: Système de buse palette avec électro-aimant sur positionneur I/P

    Une came ,

    Un ressort de rappel ,

    Un pilote : c’est un relais amplificateur qui va amplifier le signal de sortie de labuse vers l’actionneur.

    Un ressort d’équilibre : il permet de faire l’équilibre entre le système debalancier et le levier de la came.

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    8.1.2.2. Principe de Fonctionnement

    Le principe de fonctionnement est quasiment le même que le positionneur pneumatique.

    En fait nous avons gardé le système de positionnement pneumatique de la vanne avec lacame et son levier, mais un buse palette avec un électro-aimant a été ajouté pourpermettre de remplacer le signal pneumatique du régulateur en un signal électrique (4-20mA).

    Le but étant de pouvoir piloter les vannes de régulation à distance.

    Le pilote n’est plus un distributeur avec son tiroir et son poussoir mais il est à présent unrelais amplificateur avec une membrane.

    Le signal provenant du régulateur n’est plus un signal pneumatique (0,2-1bar) mais unsignal électrique (4-20mA).

    Le signal électrique (4-20 mA) va parcourir la bobine, ce qui va provoquer un déplacementde la palette. Il en résulte une modification de la pression de sortie buse jusqu'à ce que lacontre réaction de la bille située à l'extrémité de la buse équilibre la nouvelle forceappliquée au levier.

    Plus le signal électrique va augmenter, plus la palette va se rapprocher de la buse : lesignal de sortie buse vers l’actionneur va aussi augmenter et ainsi tendre à ouvrir lavanne.Ce sera l’effet inverse si le signal électrique diminue.

    Figure 67: Schéma de fonctionnement du positionneur électro-pneumatique

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    Figure 68: Positionneur électro-pneumatique MASONEILAN type 8013

    Nous pouvons aussi changer le sens d’action du positionneur, pour cela il faut :

    Inverser le ressort d’équilibrepar rapport au balancier

    Figure 69:Action directe : sous lebalancier

    Figure 70: Action inverse : au-dessusdu balancier

    Inverser les fils de la bobine sur la plaque à bornes du positionneur.

    Figure 71: Inversion des fils de bobine pour changement du sens d’action du positionneur

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    Il faut bien faire attention à ne pas bloquer le balancier avec les fils de labobine car sinon votre vanne fera « du TOUT OU RIEN », soit ouverte engrand ou alors fermée totalement. Je vous fais cette remarque car moi-

    même sans faire attention j’ai eu le tour.

    8.1.2.3. Les pannes

    Les principales pannes sur le positionneur électro-pneumatique sont :

    Le ressort d’équilibre qui est sorti de son lotissement,

    La bobine qui est HS ou alors la plaque de circuit intégré,

    La bobine qui reste coincé dans le noyau, cela est du à une prise d’humidité dansle positionneur et la bobine s’est déformée,

    La palette reste coincée sur la buse → il faut vérifier l’équilibre du balancier avecla vis du petit contre poids qui se trouve sur la palette,

    La buse est bouchée → Un nettoyage de la buse est impératif avec de l’aircomprimé,

    Un fil de la bobine est débranché.

    8.1.3. Le positionneur intelligent (numérique)

    Le positionneur intelligent est la toute dernière version de positionneur qui commence àêtre de plus en plus utilisé.

    8.1.3.1. Constitution

    Le positionneur intelligent est constitué des éléments suivants :Un microprocesseur : il comprend une eeprom qui permet de stocker lesdonnées, un module FSK qui permet une communication numérique entre un PCet le positionneur,

    Un système buse palette ,

    Un distributeur 3 voies : c’est le pilote,

    Un électroaimant : c’est la bobine avec son noyau qui va permettre de faire

    basculer plus ou moins la palette sur la buse grâce au champ magnétique créépar le courant électrique qui la traverse,

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    Un afficheur digital : il va permettre de configurer le positionneur et de lire soitun diagnostic de pannes ou soit toutes les informations de mesure du

    positionneur.Ce type de positionneur est toujours alimenté a une pression de 1,4 bar à l’aide d’un filtredétendeur.

    Le signal électrique qui provient du régulateur est toujours un signal courant de 4-20mA.

    8.1.3.2. Principe de fonctionnement

    Figure 72: Schéma de principe du positionneur intelligent

    L’unité centrale que nous appelons CPU est le centre fonctionnel du positionneur. Lescomposants mécaniques et pneumatiques ne remplissent que des fonctions secondaires.

    Le signal d’entrée (4-20mA) et la mesure de position sont scrutés cycliquement par laCPU et envoyé vers un convertisseur analogique/numérique permettant ainsi untraitement rapide et précis des données.

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    Le programme général comprend aussi une routine d’autoréglage pour l’ajustementautomatique de l’appareil sur l’actionneur de la vanne et un mode de régulation autoadaptive qui permet un contrôle optimal de la position quelque soit les conditions de

    service (variation de la pression d’alimentation par exemple).Le servomoteur est piloté par un convertisseur I/P et une vannes 3 voies (distributeur). Lesignal électrique venant de la CPU est proportionnellement converti en un signalpneumatique qui ajuste la vanne 3 voies. La section de passage est modifiée, enpermanence, pour gonfler ou vider le servomoteur proportionnellement au signal.

    Lorsque la position de la vanne est atteinte, la vanne 3 voies se trouve en position neutre(débit d’air quasi nul).

    Afin de vous aider à mieux comprendre le fonctionnement, le positionneur fonctionnecomme un régulateur (voir cours le régulateur et ses fonctions). Le signal d’entrée 4-20 mA est laconsigne et la mesure de position effectuée par undétecteur de position est la mesure . La CPU compare ses deux grandeurs et envoie unsignal électrique proportionnel à l’électroaimant qui va permettre d’agir surl’organe de commande (vanne 3 voies) afin d’obtenirmesure=consigne .

    Le positionneur dispose, en standard, d’un clavier local composé d’un affichage 2 lignes et4 touches. Ce clavier sert à la configuration en local et à la surveillance des paramètres enfonctionnement. Le paramétrage, la mise en service et l’observation peuvent aussi êtreeffectués à distance via le port de communication (module FSK) et un ordinateur.

    Cette communication est basée sur les protocoles HART, ou Field Bus, ou PROFIBUS.

    Vous pouvez vous connecter en local ou n’importe où sur la liaison 4-20mA.

    Le modèle de base du positionneur peut être modifié à toutmoment, cela dépend du constructeur, pour recevoir desnouvelles fonctions. On peut rajouter des cartes pour recopieanalogiques : cela va permettre d’avoir une position précisede la vanne sur DCS. On peut rajouter des fins de courses.

    Figure 73: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-Cmonté sur une vanne linéaire

    Nous pouvons aussi changé le sens d’action du positionneur(direct ou inverse) ainsi que la caractéristique intrinsèque dela vanne (égal% ou linéaire) par simple paramétrage dans lepositionneur avec le clavier de configuration en local ou parsoft à distance.

    Au niveau montage, ce type de positionneur possède des kit

    de montage selon les normes afin qu’il puisse être montersur n’importe quel type de vannes.

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    Il peut être monter sur des vannes linéaires ou rotative, il suffit aussi de le paramétrer.

    Figure 74: Positionneur intelligent ABB modèle TZID-C

    8.1.3.3. Les pannes

    Ce type de positionneur a souvent des pannes au niveau électronique donc au niveaumaintenance, c’est tout simple, il faut avoir des positionneurs intelligents en stock car c’estdu ‘jetable’.

    8.2. LE CONVERTISSEUR ELECTROPNEUMATIQUE (I/P)

    Le convertisseur I/P est utilisé dans toutes les boucles électroniques dont l’actionneur estpneumatique ou par exemple pour la traversée de zones explosives ( voir cours matérielen zone à risque ). Il transforme les signaux électriques normalisés en signauxpneumatiques normalisés.

    Le convertisseur électro-pneumatique reçoit un signal électrique 4-20 mA et le convertit enun signal pneumatique de 200-1000 mbar (0,2-1 bar).

    Le convertisseur est aussi alimenté par une pression d’air de 1,4 bar (1400 mbar).

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    La différence entre le convertisseur I/P et le positionneur électro-pneumatique est quenous n’avons plus de position de vanne.

    Pour mieux comprendre, le convertisseurI/P reçoit le signal électrique durégulateur (4-20mA), va le convertir enpression 0,2 – 1 bar qui va directementsur la « tête de vanne ».

    Ce matériel est très utile quand unpositionneur de vanne est HS et quevous devez impérativement dépanner enurgence. Vous fixer ce convertisseur surla vanne en branchant l’alimentation de1,4 bar, le signal pneumatique de sortiedu convertisseur sur la vanne et le signal4-20 mA sur le bornier de celui-ci et le‘tour est joué’ .

    Figure 75: Convertisseur I/PMASONEILAN

    Pour le montage de ces convertisseurs I/P, il faut bien faire attentionque selon le constructeur ce ne sont pas les mêmes kits de montagefournis.Vous pouvez soit les fixer sur la vanne ou alors non loin de la vanne surun tube 2’’.

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    8.3. LE LUBRIFICATEUR

    Le graissage de la garniture d’étanchéité sert à faciliter le déplacement de la tige del’obturateur et à entretenir les tresses du presse étoupe afin de les détériorer moinsrapidement.

    C’est un accessoire rarement utilisé sur une vanne de régulation.

    Figure 76: Lubrificateur sur chapeau de presse-étoupe

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    8.4. LE DETECTEUR DE POSITION

    Les contacteurs de position sont très utilisés sur les vannes Tout Ou Rien pour que l’onpuisse voir s’il n’y a pas de discordances de vannes de sécurités.

    On peut en trouver aussi sur des vannes de régulation qui sont soit linéaires ou rotatives.

    Les contacts de ces contacteurs de position peuvent être Normalement Ouvert (NO) ouNormalement Fermée (NC).

    Nous avons donc deux types de contacteurs :

    Le contacteur avec contact , appelé le micro rupteur

    Figure 77: Micro rupteur sur vanne de régulation

    Le contacteur sans contact , sou