Sélectionner la vanne appropriée pour votre application

Chaque année, le secteur perd des millions de dollars en raison de mauvais choix de vannes. Un mauvais choix peut favoriser la défaillance des vannes et entraîner ainsi la perte d'une partie du fluide des systèmes due aux caractéristiques techniques du produit, des coûts liés à l'arrêt des systèmes, des conditions de travail dangereuses et des dégâts sur l'environnement.

Alors comment sélectionner en toute sécurité pour votre système une vanne facile à installer, fiable et sans danger qui nécessitera un entretien minimum pour un coût total des plus bas ? Lorsque le moment est venu de préciser les caractéristiques techniques d'une vanne ou de remplacer une vanne, commencez par analyser votre système en suivant ces quelques conseils simples qui vous aideront à choisir les vannes appropriées pour votre système. 

Quel type de fluide le système transporte-t-il ?
Avant de choisir une vanne, considérez le type de fluide transporté par le système. Le fluide est-il visqueux ou dilué ? S'agit -il d'un gaz ou d'un liquide ? Est-il corrosif ou inerte ? Ces variables peuvent affecter les composants et le fonctionnement du système. Par exemple, la viscosité du fluide affecte l'écoulement de celui-ci dans le système et a une influence sur les caractéristiques techniques de la vanne. Les fluides plus visqueux diminuent l'écoulement et les fuites dans le système. Au contraire, un gaz léger sous haute pression se déplace plus librement dans son passage d'écoulement mais est plus difficile à contenir en termes de fuites.

Certains gaz, comme l'hydrogène ou le méthane, sont hautement inflammables et la plus petite fuite vers l'atmosphère peut être catastrophique. Si le fluide du système est un gaz toxique, tel que l'arsine ou la phosphine, une fuite vers l'atmosphère peut avoir des conséquences encore plus graves. Les gaz ou les liquides corrosifs comme le chlorure d'hydrogène ou le sulfure d'hydrogène voire même la vapeur, peuvent abîmer les composants et attaquer le matériau par une action chimique ou physique.

Quelles sont les conditions de fonctionnement du système ?
Les conditions de fonctionnement du système comme la température ou la pression constituent également des facteurs importants dans le choix d'une vanne. Prenons par exemple la sélection de matériaux pour des applications haute ou basse température ; les matériaux des composants aux coefficients de dilatation variables sont des sources de fuites potentielles. Les composants en plastique peuvent rétrécir et causer des fuites, absorber l'eau ou d'autres fluides du système et devenir cassants à basse température. Les élastomères aussi peuvent se durcir et se fissurer dans des applications cryogéniques et ils ont des coefficients de dilatation élevés. De plus, la pression différentielle peut affecter l'étanchéité. Par exemple, les fuites d'un système fonctionnant sous une pression de 68,9 bar (1000 psig) peuvent être 10 fois supérieures à celles d'un système fonctionnant sous 6,89 bar (100 psig).

La vanne sera-t-elle utilisée de manière intensive ?
Si vous avez besoin d'une vanne se comportant de manière fiable dans un système où elle sera utilisée de manière intensive, envisagez le choix d'une vanne homologuée ou certifiée pour une telle utilisation et assurez-vous qu'elle satisfait aux codes et normes en vigueur dans l'industrie. Vous trouverez ci-après quelques exemples d'applications et les normes industrielles correspondantes :

1. Vannes utilisées dans les applications de sécurité contre l'incendie — Norme de sécurité incendie API 607
2. Vannes pour utilisation avec des gaz acides — Norme NACE (Association nationale des ingénieurs en corrosion) MR0175
3. Vannes utilisées dans les applications fluides thermiques — Norme ANSI/FCI 70-2 pour l'étanchéité de la fermeture et norme de type API 607 pour les risques d'incendie
4. Vannes utilisées dans les systèmes acheminant du chlore — Brochure du Chlorine Intitute n°6 : « Systèmes de tuyauteries pour chlore sec »

Figure 1 1 - Tige 2 - Chapeau 3 - Garniture en PTFE

Quelles doivent être les caractéristiques spécifiques de la conception de la vanne ?
Après avoir examiné les caractéristiques du fluide et les conditions de fonctionnement, il est également important de connaître les caractéristiques de conception essentielles pour l'efficacité de la vanne. Si les fabricants de vannes ne peuvent pas contrôler les paramètres de conception de votre système comme le fluide ou les conditions de fonctionnement, ils peuvent en revanche contrôler les caractéristiques de conception qui affectent les performances de la vanne.

L'étanchéité de la vanne par rapport à l'atmosphère est une caractéristique importante. Les vannes se présentent avec ou sans garniture. Les vannes avec garniture possèdent soit une garniture classique soit une garniture « précontrainte ». Dans les vannes avec garniture classique, une garniture cylindrique en PTFE est ajustée au plus près autour de la tige de la vanne (figure 1). Lors du serrage de l'écrou de garniture, le PTFE est forcé vers l'extérieur contre le chapeau de la vanne et vers l'intérieur contre la tige afin de former un joint.

Le joint « précontraint » constitue une autre conception des vannes avec garniture (figure 2). La précontrainte soumet la garniture à une compression constante qui assure son étanchéité, même dans des systèmes aux variations fréquentes de température ou de pression ou dans lesquels la fréquence des cycles est élevée. Une garniture précontrainte bien conçue exerce un minimum de pression pour assurer l'étanchéité, sans pour autant augmenter le couple nécessaire à l'actionnement de la vanne. Ainsi, la précontrainte diminue également l'usure et le déchirement de la garniture de tige dans les applications pour lesquelles la fréquence des cycles est élevée. Les deux méthodes de précontrainte les plus courantes utilisent un joint torique en élastomère et une garniture en plastique précontrainte par ressort.

Figure 2 1 - Écrou de garniture 2 - Ressorts 3 - Garniture en plastique

Le joint précontraint le plus simple utilise un joint torique en élastomère. La résilience de l'élastomère fournit la précontrainte. Avec la méthode de précontrainte par ressort, un joint peut utiliser une garniture en plastique, mais comme le plastique n'est pas aussi résilient que l'élastomère, une série de bagues ressorts fournit la précontrainte. Un écrou de garniture comprime les ressorts afin de maintenir une pression plus constante sur la garniture.

Les vannes sans garniture comme les vannes à membrane ou les vannes à soufflet disposent de joints statiques métal sur métal. Une fois encore, plusieurs facteurs dépendants de la volonté du fabricant peuvent affecter l'intégrité du joint métal sur métal. Il existe par exemple une relation directe entre la qualité de la finition de surface, la performance de la vanne et l'intégrité du joint. L'association d'un embout de tige avec un siège à surface lisse peut en effet donner naissance à un espacement entre ces deux surfaces inférieur à ce qu'il serait avec deux surfaces rugueuses.

La différence de dureté entre les matériaux est un autre facteur qui affecte l'intégrité du joint métal sur métal. Le matériau de l'embout de tige doit être plus dur que celui du siège afin que ce dernier se déforme légèrement et crée un joint étanche aux fuites.

Dimensionnement des vannes

Figure 3

Figure 4

La taille d'une vanne est souvent décrite par la dimension nominale de son raccordement d'extrémité. Mais pour la plupart des systèmes fluides, le débit admissible pour une vanne est une mesure plus importante. Les principes de calcul du débit impose que certains aspect du passage d'écoulement soient connus, notamment :

1. La taille et la forme de l'orifice et du passage d'écoulement
2. Le diamètre interne du tuyau ou du tube
3. Les caractéristiques du fluide, telles que sa densité et sa température
4. La chute de pression entre l'entrée et la sortie.

Il est facile de comprendre qu'un passage d'écoulement traversant droit, comme celui d'une vanne à boisseau sphérique (figure 3), permet un plus débit plus élevé qu'une vanne à pointeauu de taille équivalente (figure 4) dans laquelle le cheminement du fluide est beaucoup plus sinueux. Plutôt que d'effectuer des calculs compliqués visant à appréhender l'écoulement, vous pouvez comparer le coefficient de débit (Cv). Le Cv incorpore les effets combinés de toutes les restrictions de l'écoulement dans une vanne et offre un nombre de référence commun unique. L'actionnement automatique ou manuel et les modes de raccordement sont d'autres caractéristiques de conception de la vanne à considérer. L'expérience montre que les vannes avec raccordements d'extrémité intégraux minimisent les points de fuite potentiels et peuvent rendre les procédures d'installation et d'entretien moins exigeantes en main d'oeuvre.

Quelles procédures d'installation devrez-vous suivre ?
Lorsque vous avez sélectionné la vanne appropriée pour votre application, envisagez la façon de l'installer et recherchez les caractéristiques qui maximiseront son efficacité et minimiseront les problèmes d'entretien. Une mauvaise installation affectera la performance et la fiabilité. Voici quelques suggestions :

1. Installez les vannes avec des montages en panneau, par la base ou avec des supports spéciaux. Rappelez-vous que les montages de vannes doivent supporter des sollicitations externes comme la dilatation du système et doivent absorber le couple d'actionnement de la vanne de manière à ce que la contrainte ne soit pas reportée sur les raccordements d'extrémité, les tuyaux ou les tubes.
2. Installez une vanne de sorte que celle-ci soit maintenue par le montage et non pas par le système de tubes ou de tuyauterie.
3. Installez les vannes afin de pouvoir facilement les voir, les atteindre et les protéger de tout dégât accidentel et de toute manipulation intempestive.
4. Installez les vannes de façon à ce que le fluide s'écoule dans la direction de la flèche.
5. N'installez pas les vannes dans des endroits où elles pourraient servir de repose-pieds ou de portemanteau.