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IR VAN - 00596_I_F - Rv. 2 25/03/2005
I - RLE DE LA VANNE DE RGULATION.............................................................................1
II - VANNES DE RGULATION CLASSIQUES......................................................................... 2
1 - Description.............................................................................................................................2
2 - Fonctionnement du servomoteur ...........................................................................................33 - Vannes double sige..........................................................................................................44 - Vannes simple sige...........................................................................................................45 - Position par manque dair......................................................................................................56 - Maintien dune vanne en position..........................................................................................77 - Caractristique de dbit d'une vanne de rgulation............................................................... 88 - Coefficient de dbit ..............................................................................................................119 - Bruit des vannes de rgulation............................................................................................14
III - POSITIONNEMENT DES VANNES DE RGULATION..................................................... 16
1 - Signal rgulateur pneumatique............................................................................................162 - Signal rgulateur lectrique.................................................................................................193 - Position par manque dnergie............................................................................................22
IV - DIFFRENTS TYPES DE VANNES DE RGULATION.....................................................23
1 - Vanne de rgulation obturateur rotatif excentr................................................................232 - Vanne cage.......................................................................................................................283 - Vannes trois voies ...............................................................................................................294 - Vanne micro dbit Cvajustable........................................................................................ 305 - Vanne papillon.....................................................................................................................306 - Vanne d'angle......................................................................................................................327 - Vanne membrane .............................................................................................................328 - Vanne boule......................................................................................................................329 - Autres types.........................................................................................................................3310 - Ventelles..............................................................................................................................34
V - ACCESSOIRES DES VANNES DE RGULATION...........................................................35
1 - lectrovanne de dclenchement .........................................................................................352 - Commande manuelle auxiliaire ...........................................................................................363 - Limiteurs de course .............................................................................................................364 - Contacts de fin de course....................................................................................................365 - tanchit de tige de clapet.................................................................................................37
D6 -4/AINSTRUMENTATION - RGULATION - AUTOMATISMES
VANNES DE RGULATION
Risques et Prventions Lis au Matriel
2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training
Ce document comporte 39 pages
Ingnieurs enScurit Industrielle
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I - RLE DE LA VANNE DE RGULATION
Dans une boucle de rgulation, l'organe final de rglage est, le plus souvent, une vannequi par action sur
le dbit d'un fluide (gaz ou liquide) permet de rguler la grandeur mesure (pression, dbit, niveau,temprature, etc.).
Cette vanne dont le mouvement est command par le signal venant du rgulateur est dite vanne dergulation .
Les vannes de rgulation, encore appeles vannes automatiques, peuvent se dcomposer en deux grandesfamilles, suivant le type de dplacements utiliss. Ces dplacements sont :
- longitudinauxpour les vannes automatiques classiques- rotatifspour les vannes automatiques type CAMFLEX de Masoneilan ou MAXFLOW de
Schlumberger
Les vannes automatiques, utilises dans l'industrie chimique et ptrolire, sont le plus souvent commande pneumatique. On s'attachera ici plus particulirement la description de ce type de vannes.
Cependant, la mme fonction peut tre remplie par une vanne automatique commande hydraulique, unregistre ou des ventelles commandes par un servomoteur pneumatique (circuits d'air ou de fumes sur lesfours), un variateur d'incidence de pales ou un variateur de vitesse de rotation commandant le dbit d'air travers un arorfrigrant, etc.
Pour une vanne donne et dans des conditions opratoires fixes (ouverture de la vanne, dbit et nature dufluide), l'volution de la pression statique au cours de la traverse de la vanne se fait comme indiqu sur leschma suivant.
Pamont
Pmini
Paval
Chute depressionmaxi
Entrebride amont
Sectioncontracte
Sortiebride aval
Perte de chargedans la vanne
Rcuprationde pression
DI
RA1
00A
Pression
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II - VANNES DE RGULATION CLASSIQUES
1 - DESCRIPTION
Membrane
Ressort
trier
Presse-toupe
Corps
Clapet
Sige
Servomoteur
Corps de vanne
Partiecommande
Partieliaison
Partiedbit
D
IRA
101A
Vanne de rgulation simple sige
La vanne de rgulation prsente ci-dessus se compose :
- d'un servomoteur comprenant:
deux couvercles, dont l'un est perc d'un orifice pour permettre l'arrive d'air-moteur,
une membraneet sonplateausupport un ressort tension rglable une tigede transmission
- d'un trier, reliant le servomoteurau corps de vanne et muni d'une rglette indiquant laposition du clapet.
- d'un systme d'tanchit(tresses, goujons et fouloir de presse toupe), qui permetd'assurer l'tanchit le long de la tige du clapet.
- d'un corps de vanne, renfermant le clapetdont le mouvement, guid en translation, estsolidaire par une tige du mouvement de la membrane.
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2 - FONCTIONNEMENT DU SERVOMOTEUR
Le servomoteur est constitu d'une membrane souple, qui en se dformant sous l'action de la
pression d'air, agit sur le plateau support pour craser le ressort. La membrane du servomoteur estdonc soumise deux forces antagonistes.
- d'un ct la force due la pression venant du rgulateur. Cette force Fair estproportionnelle la pression d'air rgnant dans le servomoteur
- de l'autre ct la force due la compression du ressort.Cette force Fressortest d'autantplus importante que le ressort est comprim.
Pour chaque valeur de la pression, il existe une position du ressort qui quilibre la forcecorrespondante due la pression.
F air (force exerce parla pression d'air)
Membrane
F ressort (force dveloppe parla contraction du ressort)
Pression de commande(P)
chaque instant F air = F ressort
F air = P S
F ressort = K L
D
IRA102A
Pour une pression d'air donne dans le servomoteur, le ressort se contracte d'une longueur L, telleque la force qui en rsulte (et qui est proportionnelle au raccourcissement du ressort) soit gale laforme motrice correspondante.
Pour chaque valeur de la pression, il existe une position d'quilibre du ressort. Le dplacement de lamembrane qui en rsulte est transmis par la tige au clapet, dont la course est ainsi proportionnelle lapression d'air dans le servomoteur
Un systme de rglage permet d'ajuster la tension du ressort pour qu'en absence de toute autrersistance, sur la tige ou le clapet, la tige de vanne parcourt toute sa course quand la pression d'airpasse de 0,2 1,0 bar.
La correspondance entre la pression d'air et la course de la tige de vanne est illustre par le schmaci-aprs.
0 25 50 75 100%
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Signal vanneen bar
Course en %de la course totale
D
IAR
135A
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3 - VANNES DOUBLE SIGE
Comme le montre la figure ci-dessous, une vanne de rgulation double sige est caractrise par undouble clapet et prsente l'avantage d'tre rversible, c'est--dire que l'on peut obtenir, par unmontage appropri, une action d'ouverture ou de fermeture par manque d'air, sans adjonction oumodification de pices. D'autre part, par rapport une vanne simple sige, elle offre l'avantage depermettre pour la mme dimension nominale, un dbit plus important tout en ncessitant, pour lepositionnement du clapet, un servomoteur de puissance modre, car le fluide a tendance quilibrerles efforts sur la tige de vanne.
; ;y y; ;
; ;
; ;
y y
y y
y y
; ;
; ;
y y
y y
; ;
; ;
; ;
y y
y y
y y
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
D
IRA104A
4 - VANNES SIMPLE SIGE
Une vanne automatique simple sige, comme le montre la figure ci-aprs, prsente des similitudesavec une vanne double sige, mais contrairement au cas prcdent un sige de type simple permetune excellente tanchit. Le servomoteur quant lui sera de taille plus importante compte tenu desforces non quilibres provoques par le passage du fluide travers le sige unique. La valeur de cesforces qui peuvent tre importantes est fonction de la dimension du corps de vanne et de la P auxbornes de la vanne..
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y;
;
y
y
; ;y y;y;y;y
D
IRA105A
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5 - POSITION PAR MANQUE DAIR
Il peut arriver que le servomoteur de la vanne automatique ne soit plus aliment pour des raisons
diverses :- panne sur le rseau Air-Instruments- bouchage du filtre-dtendeur- avarie sur le positionneur- liaison positionneur - servomoteur dfectueuse- etc.
La membrane n'est alors soumise qu' l'action du ressort et la vanne automatique se mettra, dans cecas, en position de scurit.
- soit totalement ouverte- soit totalement ferme
La position de scurit de la vanne automatique dpend du sens d'action du servomoteur, et dusens de montage du clapet.
a - Sens d'action du servomoteur
; ;
; ;
y y
y y
; ;
; ;
y y
y y; ;
; ;
y y
y y
;y ; ;y y
;y
;y
Le ressort agit
vers le haut
Le ressort agitvers le bas
Air
Air DIRA106A
Le servomoteur est action directesi l'actiondu ressort tend faire monter la tige de vanne
Le servomoteur est action inversesil'action du ressort tend fairedescendre la tige de vanne
b - Sens de montage du clapet
Sens de circulation du fluide
D
IRA107A
Le clapet est action directesi la descente
de la tige de vanne fait fermer la vanne
Le clapet est action inversesi la
descente de la tige de vanne fait ouvrirla vanne
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Le tableau ci-dessous donne en fonction du sens d'action du servomoteur et du clapet, la position descurit de la vanne.
D
IRA111A
AIR OUVREVanne ferme
en positionde scurit
AIR FERMEVanne ouverte
en positionde scurit
Servomoteurdirect
Servomoteurinverse
Clapetinverse
Clapetdirect
Clapetinverse
Clapetdirect
Le choix de la position de scurit de la vanne dpend de son rle dans le procd, et il est dict pardes contraintes de scurit. Ainsi par exemple :
- la vanne commandant l'ouverture de la ligne de dgazage d'un ballon de reflux vers latorche devra tre ouverte en position de scurit
- la vanne de scurit quipant la ligne d'alimentation en fuel-oil d'un four, devra tre fermepar manque d'air
c - Symbolisations utilises pour le reprage de la position par manque dair
Position descurit
Sigle Signification Dessin symbolique
Ouverte
AF
OPMA
FO
SO
Air ferme
Ouvre par manque d'air
Fail open
Spring open
D
IRA112A
Ferme
AO
FPMA
FC
SC
Air ouvre
Ferme par manque d'air
Fail close
Spring close
D
IRA112B
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6 - MAINTIEN DUNE VANNE EN POSITION
Dans certains cas, panne du rseau dair instrument par exemple, aucune des deux positions
prcdentes nest judicieuse pour la scurit du procd ou du matriel. Il est alors souventncessaire de maintenir l a vanne dans sa posit ionlorsque lalimentation dair fait dfaut.
Exemple
Dans un gnrateur de vapeur, la position par manque dair de la vanne dentre de leau est dlicate :
- la vanne grande ouverte risque de remplir le gnrateur deau ainsi que le rseau vapeur
- la vanne ferme compltement risque de vider le gnrateur de leau liquide et de porter lestubes de gnration de vapeur une temprature plus leve que le maximum supportablepar la mtallurgie
Le maintien en position de la vanne est ralis grce un relais de verrouillage interpos entre lepositionneur et le servomoteur de la vanne. Ce relais se ferme par manque dair et empche leservomoteur de se dcomprimer : la membrane reste donc en position.
Signal de sortie positionneur
Rglage du seuilde verrouillage
Vers servo-moteur
Alimentation
1,4 bar ou plus
Servo-moteur
Signal rgulateur
Alimentation1,4 bar ou plus
Relais de verrouillage
Schma de montage
Schma de principed'un relais de verrouillage D
IRA1049A
PY
Le relais se ferme si la pression dair dalimentation chute, la descente du clapet bloquant la pression
dans le servomoteur.
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7 - CARACTRISTIQUE DE DBIT D'UNE VANNE DE RGULATION
a - Caractristique intrinsque
La variation du dbit dans la vanne en fonction de l 'ouverture(% course), exprime en
pourcentage, peut tre reprsente par une courbe qui constitue la "caractristiquede dbit" duclapet.
La figure ci-dessous rassemble les 3 types de caractristiques intrinsques les plus courants desclapets dplacement linaire. Ces caractristiques de dbit sont :
- caractristique "ouverture rapide"- caractristique "linaire"- caractristique "gal pourcentage" ou exponentielle
100
8 0
6 0
4 0
2 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 100
Course en % de la course totale
Dbit en %du dbit maxi
D
IRA123A
Carac
tristiq
ueg
alpour
centa
geou
expone
nti
ell
e
Cara
ctristiqu
elin
aire
Cara
ct
risti
que
ouverture
rapid
e
Les caractristiques intrinsques de dbit les plus employes sont :
- linaire: le dbit varie proportionnellement la course du clapet- gal pourcentage : une mme variation de course donne un mme pourcentage
d'augmentation du dbit.
D'autres caractristiques de dbits peuvent exister pour adapter une vanne automatique auxconditions particulires de chaque installation.
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b - Caractrist ique de dbit installe
Ces caractristiques de dbit donnes par le constructeur sont dites intrinsques, car donnes pouruneP constante aux bornes de la vanne.
Pc
Pv
Pi
Circuit
DI
RA
2182A
Leur dformation dans uneinstallation est fonction de celle-ci.Ainsi, pour une vanne monte ensrie sur un circuit rsistant avecunePi totale aux bornes impose,cette dformation est fonction durapport d entre la P vanne (Pv)et laP totalePc.
d =PvP i
Elle se traduit par les courbes reprsentes ci-dessous :
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
d=0,1
d=0,3
d=0,5
d=1
% du dbit maxi
0
0, 1
0 , 1 0 ,2 0 , 3 0 , 4 0 ,5 0 , 6 0 , 7 0 ,8 0 , 9 10 ,1 0 , 2 0 , 3 0 ,4 0 , 5 0 , 6 0 ,7 0 , 8 0 , 9 1
0, 2
0, 3
0, 4
0, 5
0, 6
0, 7
0, 8
0, 9
1
% du dbit maxi
% d'ouverturede la vanne
d=
0,1
d=0,3
d=
1
D
IRA124A
% d'ouverturede la vanne
Caractristique intrinsquelinaire
Caractristique intrinsquegale pourcentage
On constate, comme le montrent les courbes ci-dessus, que pour une vanne linaire, la caractristiqueobtenue n'est pas une droite mais une courbe qui a tendance rappeler celle d'une vanne ouverturerapide avec la diminution de d, c'est--dire au fur et mesurer que la perte de charge du circuitdevient plus importante par rapport la perte de charge de la vanne seule. Par contre les courbestablies pour une vanne "gal pourcentage", avec des valeurs identiques de d montrent que lacaractristique relle de la vanne se rapproche de la loi linaire.
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c - Diffrents types de clapets
Le clapet peut prendre diffrentes formes, suivant la caractristique de dbit que l'on dsire obtenir.
Les profils de clapets les plus courants sont reprsents ci-dessous
Clapet tourntype A
30
30
Clapet tourntype B
30
30
Clapet en V(ou V-port)
30
30
Clapet disqueD
IRA109A
Clapet disque ou "Tout au Rien"
Ils sont employs avec des rgulateurs "tout ou rien" ou avec des lments de scurit, pourl'ouverture ou la fermeture d'un circuit en cas d'urgence.
Ces clapets en forme de soupape peuvent tre simples ou doubles. Le dbit maximum passant dansla vanne est obtenu trs rapidement, environ sur le tiers de la course.
Dans la zone de dbut d'ouverture la caractristique est linaire
Clapet en V ou V port
Ces clapets ont la forme d'un V. Suivant la forme du V, la caractristique de dbit peut tre linaire ougal pourcentage.
Ces clapets possdent une plage de rgulation trs tendue. Leur emploi est dconseill pour desliquides chargs et lorsque la chute de pression est leve.
Clapet tourntype B ou type parabolique
Ces clapets prsentent une caractristique du type gal pourcentage. Ils conviennent bien pour desliquides chargs. Leur plage de rgulation est moins tendue que celle des clapets en V.
Clapets tourns type A ou type linaire
Ces clapets sont calculs pour obtenir une caractristique linaire. On les emploie surtout quand lefluide contrl contient des matires en suspension.
Ils conviennent pour des circuits faibles variations de dbit et de pression et, en gnral, dans uncircuit stable lorsqu'on connat exactement les limites des variations et que l'on n'aura jamais fonctionner dans des conditions proches de la fermeture.
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8 - COEFFICIENT DE DBIT
Le coefficient de dbit Cv caractrise la cpacit de dbit d'une vanne ouverture donne : il est dfini
dans le systme anglo-saxon comme le nombre de gallons US d'eau, de densit 1, traversant la vannepar minute sous uneP de 1 PSI.
Par exemple pour un liquide en coulement turbulent non critique, il se calcule par la relation suivante :
Cv= 1,156 Qvdt15P
Qven m3/hP en barCven gallon US/min d'eau 60F
Si on considre qu'il existe un dbit minimum contrlable correspondant 10 % de la course, endessous duquel un contrle satisfaisant ne peut tre garanti, la rangeabilit d'une telle vanne, dfinie
comme le rapport r =CvmaxiCvmini
est gale 10.
Pc
Pv
Pi
Circuit
DI
RA
2182
B
P vanne
Pc
Pour un circuit srie au refoulement d'une pompe centrifuge avec Pi= fix lorsque le dbit augmente,
- Pcaugmente (comme le carr du dbit)- doncPvdoit diminuer
Si l'on se donne une marge de scurit de 50 % sur le Cv au dbit nominal du circuit, le Cvvanneouverte 100 % est alors Cv 100 % > Cv nominal, valeur rechercher (au plus prs) dans les
tableaux des constructeurs.Le dbit minimum faire passer dans le circuit permet alors le calcul du Cvmini. Les coefficients dedbit mini et maxi doivent tre compatibles avec la plage de rangeabilit de la vanne sinon il pourratre ncessaire de prvoir l'installation de 2 vannes en "Split Range" (ou tendue partage).
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Pertes de charge, caractristique et coefficients d'coulement, course et diamtre de tige
Vanne GL Fisher Control
Diamtre du corpsde vanne
Diamtrede
l'orifice
Coefficient d'coulementdu liquide (Cv)
la course maximale
Perte decharge maxi
Course duclapet devanne
Diamtrede la tigede vanne
mm in mm galpourcentage LinaireOuverture
rapide
Fermetureou
coulementbar
mm mm
15 1/2
4,8
0,00550,0205
0,0330,0820,228
40 20 12
4,86,49,515
0,6851,412,704,99
2,74,97
5,29
25 1
4,80,00550,0205
0,0330,082
0,228
40 20 124,86,49,512,722
0,691,423,045,0510,55
5,2010,99
10,99
40 1-1/212,725,435
5,113,625,9
5,515,730,4
29,840 20 12
50 2
12,7
25,43543
5,1
13,626,438,2
5,6
16,332,246,0
47
40 20 12
80 3
25,4435170
13,638,361,097,7
16,744,664,2109
111
40
20203030
18
100 4
25,4435170
88
13,637,663,4104
149
16,744,664,2115
159
168
40
20203030
30
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9 - BRUIT DES VANNES DE RGULATION
a - Dfiniti on
L'coulement d'un fluide travers une vanne de rgulation s'accompagne toujours d'une mission debruits, d'origine mcanique d'une part, d'origine arodynamique d'autre part, et qui existent tous deuxsimultanment.
Les premiers proviennent essentiellement des vibrations des pices mobiles constituant la vanne,vibrations cres par les effets dynamiques du fluide ; ils s'liminent par des choix technologiquesappropris : matriaux trs durs, ajustement mcanique de qualit, bon quilibrage dynamique desquipements.
Ne restent donc que les bruits d'origine hydrodynamique ou arodynamique qui, dans 5 10 % descas, conduisent un niveau de bruit dpassant les 85 dB.
b - Bruit s hydrodynamiques-puissance acoustique
La vanne constitue une source sonore qui met une puissance acoustique Pa (watt) correspondant une intensit acoustique I (W/m2) distance donne r ; cette puissance acoustique est proportionnelle la puissance mcanique mise en jeu, laquelle correspond essentiellement la variation d'nergie devitesse dans la vanne.
c - Bruits de cavitation des liquides
Si le phnomne de cavitation apparat, avec des surpressions locales pouvant atteindre 7000 bar, lebruit de cavitation, qui crot au fur et mesure que la cavitation se dveloppe, s'ajoute au bruithydrodynamique.
d - Solutions aux problmes de bruit
Le phnomne peut tre significativement aggrav par :
- le sous dimensionnement des diamtres de tuyauteries- la proximit d'accidents de tuyauteries (coudes, convergents, ...)- une trop grande rigidit des fixations de la vanne- la proximit de surfaces rflchissant le bruit
Il sera amlior par :
- l'isolation acoustique : par un capotage soign effectu avec 10 cm de laine de rochedense, le gain peut atteindre 20 dB
- l'utilisation sur quelques mtres d'une surpaisseur de tuyauterie : gain de 10 dB enschdule 160 par rapport au schdule 40 sur une vanne de 4"
- implantation en aval du corps de vanne de silencieux disques perfors : jusqu' 50 dB derduction
100mm
540 mm environ
150mm
D
IRA
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- implantation d'orif ices en avalde la vanne et qui provoquent :
- une diminution de la dtente ncessite par la vanne elle-mme- une rgularisation de l'coulement du fluide ce qui fait baisser de 5 10 dB le
rendement acoustique de la vanne
MAXFLO
1" 1/2
Divergent
1 1/2" x 2"
Divergent
2" x 3"
Cartouche avec
corps absorbantD
IRA
2197A
- quipement interne anti-cavitation, conu pour rduire le rendement acoustique de lavanne
- profil du clapet et du sige "repoussant" le dbut de cavitation- cage anti-cavitation, fractionnant l'coulement- cage anti-bruit fractionnant l'coulement en un grand nombre de petits jets
Clapet -s ige Ant i-C Vue c late d'une vanne d 'ang le An ti -B
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III - POSITIONNEMENT DES VANNES DE RGULATION
Le bon fonctionnement d'une boucle de rgulation exige que, quelles que soient les conditions defonctionnement, la course du clapet correspond la valeur du signal de sortie du rgulateur.
Or, certaines forces parasites peuvent gner le mouvement du clapet :
- pousse exerce par les fluides(surtout dans le cas des clapets simple sige) exerantune forces plus leve que les conditions d'utilisation sont svres : fluide visqueux oucharg, pression diffrentielle leve
- frottement de la tige de transmissiondans son presse toupe- ressortexerant une force qui n'est pas exactement proportionnelleau dplacement
qu'il subit- variation de surfacedue la dformationde la membrane,- etc.
Il est donc ncessaire pour obtenir une position du clapet qui corresponde la valeur du signal de commandedquiper la vanne dun positionneur.
Le positionneur aliment en air instrument (1,4 bar rel. ou plus), reoit le signal de commande durgulateur. Un levierd'asservissement permet au positionneur de comparer tout instant la position duclapet de la vanne avec la position thorique correspondant au signal du rgulateur et de moduler enconsquence la pression d'air vers la membrane du servomoteur. Cette pression de sortie peut suivant lescas tre infrieure ou suprieure celle du signal rgulateur.
Le positionneur dune vanne de rgulation est donc un rgulateur fonctionnant en boucle ferme dans lequel :
- mesure = position de la tige de vanne- consigne = signal de commande venant- signal de commande = signal pneumatique vers le servo-moteur
I
P
Signal de commande
Alimentation
AI
AI
Vanne de rgulation DIRA1005A
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1 - SIGNAL RGULATEUR PNEUMATIQUE
Ici le seul appareil utilis est un positionneur pneumatique.
a - Implantation du positionneur dans la boucle de rgulation
Signal pneumatiquevenant du convertisseur
D
IRA108
A
Positionneurpneumatique
Liaison tige devanne positionneur
Alimentation 1,4 bar
Sortie positionneurvers servomoteur
b - Principe de fonctionnement
Signal de sortiedu positionneur
Liaison tige devanne positionneur
Ressort d'quilibrePositionneur
Alimentation(1,4 bar)
Signalrgulateur
(0,2 - 1 bar)
Relaispilote
D
IRA110
A
Le signal venant du rgulateur est introduit dans un soufflet ; en opposition se trouve un ressort quipermet d'quilibrer les dplacements du soufflet. Ces dplacements commandent, par l'intermdiaired'un levier mobile, un systme buse-palette qui gnre la pression allant vers le servomoteur.
Sous l'effet de la pression, la tige de vanne se dplace et entrane avec elle la tige de liaison vanne-positionneur qui va agir sur le ressort pour que le systme trouve sa position d'quilibre.
Il n'y a ainsi qu'une seule position de vanne pour chaque position correspondante du soufflet lorsque
le systme est quilibre.
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c - Exemple d'appareil indus triel
;y;y;y;y;y;y
; ; ; ; ; ;
; ; ; ; ; ;
y y y y y y
y y y y y y
; ; ;
; ; ;
y y y
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; ;y y; ;y y
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; ;
y y
y y
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2
; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
y y y y y
y y y y y
y y y y y
y y y y y
y y y y y
3
; ; ;y y y
1
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
;y
Servomoteur
Alimentation
Signal de commande
Robinet de by-pass
Pilote
Indicateur de position
Lame flexible
Levier
Index de rglage
Ressort de rglage
Ensemble de liaison
Tige de vanne-positionneur
Manomtres
1- Signal de mesure2- Pression dalimentation3- Pression sortie positionneur
Tige de vanne
D
IRA125A
Schma de fonctionnement du positionneur 7400 (Doc. MASONEILAN)
Un positionneur, tel que celui reprsent ci-dessus est constitu d'un levier articul sur une lameflexible et soumis deux forces :
- la force cre par un soufflet recevant le signal venant du rgulateur- la force de rappel d'un ressort, solidaire par un ensemble de liaison, de la position de la tige
de vanne
L'extrmit du levier vient agir sur la position du clapet du relais dont on voit le dtail ci-dessous :
;
;
y
y
; ;
; ;
y y
y y; ;
; ;
y y
y y;y
; ; ;y y y; ;
; ;
y y
y y
Extrmitdu levier
positionneur
Sortie versservomoteur
Alimentation1,4 bar relatif
Sige ct
alimentation
Sige ct
atmosphre
Clapet
D
IRA114A
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2 - SIGNAL RGULATEUR LECTRIQUE
Il est possible de raliser le positionnement de la vanne de 2 faons :
- soit en transformant d'abord le signal lectrique en signal pneumatique par unconvertisseur lectro-pneumatique (ou convertisseur Intensit-Pression) lequel est suivid'un positionneur pneumatique
- soit en utilisant unpositionneur lectro-pneumatique qui ralise la fois la transformationdu signal et le positionnement
a - Convertisseur lectro-pneumatique associ un positionneur pneumatique
P
Signal de sortiedu convertisseur
Convertisseurlectro-pneumatique
Signal venant
du rgulateur
Positionneurpneumatique
Sortie positionneurvers servomoteur
Alimentation 1,4 bar
Liaison tige de vannepositionneur
Alimentation 1,4 bar
D
IRA
131A
Le convertisseur se situe entre le rgulateur (lectrique) et le positionneur pneumatique, oudirectement sur la vanne de rgulation.
Principe de fonctionnement du convertisseur I/P
Relais pilote
Alimentation 1,4bar
Sortie convertisseur
(0,2 - 1b)
Systmebuse-palette
Point de pivotement
Levier mobile
Ressortde zro Bobine
Signal rgulateur(4 - 20mA)
D
IRA
129A
Le convertisseur lectropneumatique est un appareil quilibre de force compos d'unlevier pivotant supportant :
- une bobine mobile autour d'unaimant et parcourue par lecourant convertir
- un systme buse-palette
- un dispositif de contre-raction
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Toute variation du signal lectrique parcourant la bobine provoque un dplacement du levier et doncde la palette. Il en rsulte une modification de la pression de sortie buse jusqu' ce que la contreraction quilibre la nouvelle force applique au levier.
Le convertisseur est quip d'un relais pilote s'il doit commander directement la vanne automatique.Sinon la sortie du convertisseur peut aller en signal de commande du positionneur pneumatique.
Exemple d'appareil industriel
; ;
; ;
y y
y y
;
;
y
y
;y
;
;
y
y
;y
Bouchonanti-dflagrant
Noyau derglage
BuseBobine
Fils de bobine
Ressortde zro
Lamellesflexibles
Ressortde zro Bobine
Electro-aimant
Sortie vers relais
pneumatique
Alimentation
D
IRA117A
Palette
Orificecalibr
Vis de fixation dumcanisme
Ple suprieurd'aimant
Coupe d'un convertisseur lectropneumatique(Doc. MASONEILAN)
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b - Positionneur lectropneumatique
Le positionneur lectropneumatique prsente l'intrt de regrouper en un seul appareil les fonctionsexerces par :
- un convertisseur lectro-pneumatique- un positionneur pneumatique
Un positionneur lectropneumatique est constitu :
- d'une partie conversion du signal lectrique en une pression d'air module analogue auconvertisseur lectropneumatique
- d'un systme buse-palette associ un relais pilote en vue de diminuer le temps derponse de la vanne
- d'un ensemble de liaison tige de vanne-positionneur qui asservit le signal de sortie du pilote la position du clapet de la vanne et qui assure la contre-raction sur le levier
Signal de sortiedu positionneur
Liaison tige devanne positionneur
Ressort d'quilibre
Positionneur
Alimentation(1,4 bar)
Signalrgulateur(4 - 20mA)
D
IRA115
A
Relaispilote
Intgration du positionneur lectropneumatique dans la boucle de rgulation
PSignal venantdu rgulateur
Positionneur
lectrique
Sortie positionneurvers servomoteur
Alimentation 1,4 bar
Liaison tige de vannepositionneur D
IRA132A
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Appareil industriel
;
;
;
;
y
y
y
y
; ;
; ;
; ;
y y
y y
y y
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
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;
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;
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y
y
y
y
;y
;y; ;y y; ;
; ;
y y
y y;
;
y
y
; ;y y
;
;
y
y
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
Bouchonanti-dflagrant
Buse
Ressortd'quilibre Balancier Lamellesflexibles
Bobine
Electro-aimant
Roulementpalpeur de came
Plaquecircuit
Support moulJoint toriquePilote
Sortie versle servomoteur
de la vanne
Pressiond'alimentation
; ;
; ;
y y
y y
Pressiond'alimentation
Pressionde sortie; ;y y
Pression ducircuit de buse
D
IRA116A
Doc. MASONEILAN
l'tat d'quilibre, toute variation du signal lectrique de commande parcourant la bobine dtermineun dplacement de la palette devant la buse. Ce dplacement provoque une variation de la pressiondans le circuit de la buse, laquelle modifie la pression de sortie du positionneur par l'intermdiaire dupilote. Cette variation de pression de sortie agit sur le servomoteur, modifiant ainsi la position de la tigede commande. Le levier arrire du positionneur transmet ce dplacement au ressort d'quilibre. Lamodification de tension de celui-ci tend contrarier le dplacement impos au balancier par lavariation du signal lectrique parcourant la bobine, jusqu' ce que l'quilibre du balancier soit obtenu.La pression de sortie est stabilise et le clapet de la vanne commande occupe la position dsire.
3 - POSITION PAR MANQUE DNERGIE
Par manque dnergie, le signal-rgulateur lectrique tombe zro.
En consquence :
- si le positionneur ou le convertisseur sont directsle signal pneumatique tombe zro ; laposition par manque dnergie est la position par manque dair
- si le positionneur ou le convertisseur sont inverses, le signal pneumatique prend sa valeurmaximum ; la position par manque dnergie est linverse de la position par manque dair
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IV - DIFFRENTS TYPES DE VANNES DE RGULATION
Quelles que soient les techniques de ralisation employes, toute vanne de rgulation pneumatique est
pourvue des fonctions prcdemment tudies sur les vannes droites, savoir :- le servomoteur- le corps de vanne contenant l'obturateur- l'ensemble de liaison entre servomoteur et obturateur- le positionneur- le systme d'tanchit entre le corps de vanne et la tige de l'obturateur
1 - VANNE DE RGULATION OBTURATEUR ROTATIF EXCENTR
a - Principe de fonc tionnement
Clapet porte sphrique Signal de commande0,2 - 1 bar
Servomoteurmembrane droulante
Sige DIRA119A
Dans ce type de vanne, l'obturateur est reli l'arbre de commande par un ou deux bras flexibles. Il
dcouvre le sige au moyen de son mouvement rotatif. Le centre de la porte sphrique del'obturateur est dcal par rapport l'axe de l'arbre de commande, entran par le servomoteur. Cetteparticularit permet l'obturateur de n'tre en contact avec le sige qu' l'instant mme de lafermeture.
Ce type de vanne prsente quelques avantages sur les autres types :
- trs bonne tanchit la fermeture- encombrement et poids rduits (quatre positions du servomoteur sont gnralement
prvues, ce qui permet un montage plus ais)- caractristique de dbit pratiquement linaire
D
IRA120A
Sige Obturateur
Fluide
Arbre Guide
Signal decommande
Bras flexible
ServomoteurLevier
Commandemanuelle
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b - Servomoteur membrane droulante
Le servomoteur membrane droulante est constitu d'un cylindre serr entre 2 flasques par 4 tirants.La membrane droulante est fixe la fois au cylindre et au piston solidaire de la position du ressort.
; ; ; ;
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y y y y
y y y y
y y y y
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y
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; ;y y
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; ;
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y y
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;
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y
;
;
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y
eilan
Ressort Tige de piston crou de fixation
Tige d'assemblage Piston Membrane DIRA122A
Servomoteur membrane droulante(Doc. MASONEILAN)
Contrairement au servomoteur classique, o le dplacement de l'ensemble plateau-membrane estfaible, ce servomoteur dispose d'une course importante. Ceci permet une plus grande prcision dupositionnement de l'obturateur.
La liaison entre servomoteur et tige d'obturateur, ralise par une tige flottante, permet latransformation directe d'un mouvement linaire en mouvement rotatif. Ceci permet d'viter les forcesde frottement des dispositifs classiques (tels que leviers rotules).
c - Corps de vanne et obturateur
Dans le corps de vanne passage direct l'obturateur rotatif excentr vient fermer plus ou moinsl'orifice muni du sige.
;y
;y
; ;
; ;
y y
y y
; ;y y
; ; ;
; ; ;
; ; ;
y y y
y y y
y y y
50
Bord de fuitede l'obturateur
Bord d'attaquede l'obturateur
Axe de l'arbre
Bras flexible
;
;
y
y
D
IRA121A
Coupe du corps de vanne(Doc MASONEILAN)
La tige d'obturateur mouvement rotatif permet en outre une ralisation plus aise de l'tanchit.
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Le sige est fix dans le corps au moyen d'une bague de serrage filete. Cette construction vite toutedformation du sige et assure une parfaite tanchit entre le sige et le corps de vanne.
Du fait de l'absence de frottement sur le sige ds que la vanne commence s'ouvrir, le couple defrottement est relativement bas et reproductible, ce qui permet la mise en place d'un servomoteur deplus petite dimension.
De plus, le profil de la vanne lui donne un coefficient de dbit Cvnettement plus avantageux que celuid'une vanne classique, permettant l'utilisation de vannes de dimensions nominales plus faibles.
d - Positionneur
La particularit du positionneur lectro-pneumatique ou pneumatique rside dans le fait quel'asservissement entre l'obturateur et la positionneur est ralis par l'intermdiaire d'une came. Pourun signal donn la position que prend l'obturateur, et donc le dbit passant dans la vanne, dpend duprofil de cette pice. C'est elle qui fixe la caractristique de dbit relle de la vanne, laquelle est, de cefait, facilement modifiable.
Robinet
de by-pass
Tiroir
du piloteRessort de
contre-raction
DiaphragmeRessort
de rappel
Came
Levier
Positionneur action directe Positionneur action inverse
Pression signalPression de sortiechappementPression d'alimentation DIRA126A
Doc. MASONEILAN
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Les diffrentes combinaisons position levier-secteur choisi permettent de dfinir :
- la position de scurit de la vanne- le sens d'action direct/inverse de l'ensemble- la caractristique de dbit- le fonctionnement ou non en Split Range
25
6
4
3
21
12
712
7
8
910
11
8
9 12
7 8 5 4
3
2
2 1 1
6
6
5
43
2
54
3
1
69
10111011
1
6
54
3
Levier
gaucheLevier
droite
Slectionposition
et calage
du secteurde came
Actions de la
vanne et dupositionneur
PositionneurDIRECT
montsurvanne
FERMANT PARMANQUE D'AIR
OU
PositionneurINVERSEmontsur
vanneOUVRANT PARMANQUE D'AIR
PositionneurDIRECT
montsurvanne
FERMANT PARMANQUE D'AIR
OU
PositionneurINVERSEmontsur
vanneOUVRANT PARMANQUE D'AIR
Position dulevier (4)
chelle etcaractristique
du secteurde came
BAR
P.S.I.
%
0,2-1 LIN.
3-15 LIN.
0-100 LIN.
0,2-1 PERC.
3-15 PERC.
0-100 PERC.
0,2-0,6 LIN.
3-9 LIN.
0-50 LIN.
0,6-1 LIN.
9-15 LIN.
50-100 LIN.
0,2-1 LIN.
3-15 LIN.
0-100 LIN.
0,2-1 PERC.
3-15 PERC.
0-100 PERC.
0,2-0,6 LIN.
3-9 LIN.
0-50 LIN.
0,6-1 LIN.
9-15 LIN.
50-100 LIN.
D
IRA127A
Doc. MASONEILAN
Mcanismede commande
Commandemanuelle
Presse-toupe
Obturateur-sige
Corps
Vanne MaxfloDoc. SCHLUMBERGER
D
IRA139A
Vanne Camflex
Doc. MASONEILAND
IRA138A
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c - Exemple : corps de vanne V500 Fisher con trol
CvMaximal pour une rotation de 90 degrs
Diamtre du corps Sens d'coulement direct Sens d'coulement indirecte
mm (pouces) Orifice passageintgral
Orifice passagerduit
Orifice passageintgral
Orifice passagerduit
25 (1) 12,2 5,01 16,2 5,76
40 (1 1/2) 26,6 10,9 31,0 12,2
50 (2) 46,2 17,3 57,4 18,9
80 (3) 142 48,4 141 56,3
100 (4) 255 98,2 235 102150 (6) 565 200 717 232
200 (8) 1050 623 986 646
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2 - VANNE CAGE
La particularit de ces vannes tient dans la ralisation de l'obturateur. Celui-ci est constitu d'un piston
se dplaant dans un cylindre (ou CAGE) perc d'orifices.
Sevomoteurpneumatique
Presse-toupe
Cage etobturateur
ObturateurCageou sige
CorpsD
IRA142A
Vanne cageDoc. SCHLUMBERGER
Pour une position donne du piston, le dbit passant dans la vanne va dpendre de la forme desorifices de la cage ; c'est donc elle qui dtermine la caractristique de dbit de la vanne.
100
100
80
80
60
60
40
40
20
200
0
Lin
aire
Expo
nentiel
Ouverture
rapid
e
D
IRA143A
Ce type de vanne permet des rglages de dbits sous de fortes chutes de pression et procure unebonne tanchit sa fermeture.
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3 - VANNES TROIS VOIES
quipes d'un clapet double sige, elles permettent, suivant la disposition respective de ceux-ci :
- soit le mlange de 2 fluides diffrents : il s'agit alors d'une vanne mlangeuse- soit la sparation en 2 flux du produit d'entre : il s'agit alors d'une vanne de drivation
DI
RA
149B
Vanne mlangeuse Vanne de drivation DIRA
148A
Doc. SCHLUMBERGER
Quel que soit le type de vanne, mlangeuse ou de drivation, l'coulement du fluide doit se faire demanire ce que le clapet ait tendance s'ouvrir par un accroissement de dbit. Ces vannes ne sontdonc pas interchangeables.
Il est noter galement que n'tant pas quilibres, ces vannes de rgulation ncessitent pourfonctionner d'une manire satisfaisante, surtout dans les grosses dimensions, un actionneur de plusgrande dimension qu'une vanne de rgulation classique.
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4 - VANNE MICRO DBIT CVAJUSTABLE
La possibilit d'ajustement du Cvsur cette vanne pointeau permetde s'affranchir des incertitudeslies au dimensionnement de lavanne, incertitudes qui conduisentdans la plupart des cas au choix
d'une vanne se rvlant tropgrande et travaillant donc ouverture trop faible.
DI
RA
118A
Vanne micro CVajustable
Rglage du CV
Doc. MASONEILAN
5 - VANNE PAPILLON
Le clapet est remplac par undisque pivotant de 90 ou 60autour d'un axe passant par soncentre. Ce sont des vannes quitrouvent leur applicationessentiellement :
- sur les canalisations degrands diamtres
- pour les produits corrosifs- pour les dbits importants
basses pressions
De plus, ce sont des vannes quipermettent une caractristique dedbit de type "gal pourcentage".
Vanne papillonDoc. NELES JAMESBURY
D
IRA137A
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Poids approximatif et coefficient d'coulement caractristiquedes corps de vanne Classe 300
Diamtre du corpsen pouce
Poids approximatifClasse 300
kg
Cv pleine ouverture (90 degrs),avec orifice intgral et axe Classe 3-5
Disque Fishtail
2 15,9 593 22,7 1784 36,3 3626 45,4 10708 54,4 1960
10 68,0 265012 90,7 456014 167,8 567016 208,7 796018 240,4 9340
20 263,0 1220024 386,6 1860030 544,3 3110036 839,2 49400
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6 - VANNE D'ANGLE
La vanne d'angle prsente la particularit que l'entre et la sortie sont angle droit. La premire tant
situe sur le ct du corps de vanne et la sortie sa partie infrieure.Ce sont des vannes employes le plus souvent lorsqu'on dsire avoir une forte perte de charge dansla vanne (dtente multitage).
Servomoteur
Presse-toupe
Corps de vanne
Clapet-sige
Vanne d'angle
Doc. SCHLUMBERGER DIRA147A
7 - VANNE MEMBRANE
La vanne membrane permet d'apporter une solution pour des cas d'applications difficiles qu'il n'estpas possible de rsoudre de manire satisfaisante par les moyens habituels. Les vannes membraneont particulirement un rle important dans l'industrie alimentaire et l'industrie chimique pour lesfluides chargs et corrosifs. Le fluide circule sous une membrane qui en se dformant modifie lasection de l'orifice.
8 - VANNE BOULE
Les vannes boule prsentent un certain nombre de qualits parmi lesquelles :
- capacit de dbit importante- trs bonne tanchit- simplicit de construction
Ces vannes peuvent tre classes en deux catgories :
- sphre conventionnelle- segment sphrique, qui peut sur certains modles comporter une chancrure en V ou
un contour parabolique
Les vannes segments sphriques sont tudies pour pouvoir tre employes dans des conditions deservices plus svres que les vannes sphre conventionnelle.
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Vanne segment sphrique DIRA140A
Vanne sphre conventionnelle
D
IRA141A
Doc. NELES JAMESBURY
9 - AUTRES TYPES
Cette liste de vannes n'est pas limitative, car il existe d'autres types de vannes dont l'emploi,cependant, est moins rpandu, par exemple :
Organe decommande
Clapet-sigeCorps
tanchitvis visde l'extrieur
QIRA144A
Vanne soufflet d'tanchitDoc. SCHLUMBERGER
Vanne cryogniqueDoc.KAMMER
Vanne de vidangeDoc.KAMMER
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10 - VENTELLES
Les ventelles permettent de contrler un dbit gazeux en gnral laspiration ou au refoulement dun
ventilateur. Simples ou multiples, elles sont pilotes par un servomoteur pneumatique.
DI
RA
310A
1"1/2Automatisme
de procd
AUTOMATE
ASP
M
M
8"
145
FCV
501 DR
AIR
I40
PG
06
I40
KV114
140GBE
501 DR
140
GBE
114 1/2"
VENTE
LLES
1" 1/2
1" 1/2
4"
2" 2"
2"
10"
145TG
504
BP
MARCHE
145TG
505
2" 2"
3"
145
KKM
504
145XA
307
CELLULE MOTEUR
ARR T
MARCHE
DEFAUT LECTRIQUE
TAT MOTEUR
10"
BP
ARRT
CLAPET
Ventelles l'aspiration d'unventilateur avec prchauffe lavapeur de l'air refoul
Automatismesde scurit
D
IRA3
11A
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-
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V - ACCESSOIRES DES VANNES DE RGULATION
1 - LECTROVANNE DE DCLENCHEMENT
Munie ou non d'un bouton-poussoir de rarmement local, elle peut tre intercale dans le circuitpneumatique de liaison positionneur servomoteur comme le montre le schma ci-aprs.
Signal de commande
DI
RA
128A
Alimentation 1,4 bar
Atm
Signal de commande de l'electrovanne(scurit, arrt d'urgence,)
En fonctionnement normal, l'air passe du positionneur au servomoteur, la mise l'atmosphre estferme.
Signal lectrique
de commande
Atmosphre
Pression du positionneurD
IRA133A
vers servomoteur
Lorsque l'lectrovanne est actionne le servomoteur est mis en communication avec l'atmosphre etla liaison avec le positionneur est ferme. Ceci permet la mise en position de scurit de la vanne dergulation.
Signal lectriquede commande
Atmosphre
Pression du positionneur
vers servomoteur
D
IRA133B
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2 - COMMANDE MANUELLE AUXILIAIRE
D'une manire gnrale, les actionneurs peuvent tre quips d'une commande manuelle auxiliairepermettant la manuvre ou le blocage en position de la vanne :
- soit volontairement, la rgulation est dsaccouple dans les priodes d'essai ou dedmarrage
- en cas de manque de signal ou d'nergie (air comprim, lectricit) comme organe desecours ou scurit
Dans de nombreux actionneurs, la commande manuelle, non rversible, entrave le fonctionnementautomatique et elle doit tre dbraye quand elle ne sert pas.
3 - LIMITEURS DE COURSE
Bute vis sur fond de vanne
D
IRA136A
Ils sont employs pour viter lafermeture complte des vannes, le plussouvent pour des raisons de scurit.Ainsi, ils quipent souvent les vannesde rgulation des circuits decombustible des fours dans le butdviter une trop basse pression de
combustible rendant la flamme instable.
4 - CONTACTS DE FIN DE COURSE
Ce dispositif permet de signaler distance la fermeture ou l'ouverture complte de la vanne, ilspeuvent aussi indiquer une position intermdiaire dtermine.
Sur les SNCC ou en commande distance, il est souvent utile d'avoir une indication continue de laposition de vannes de rglage, qu'il s'agisse de vannes faisant partie de chanes de rgulation ou devannes de rglage manuel.
Dans ce cas, on quipe les vannes de transmetteur de position, pneumatiques ou lectriques. Cestransmetteurs de position sont le plus souvent des appareils qui drivent des positionneurs.
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5 - TANCHITS DE TIGE DE CLAPET
D
IRA1
66A
Bride de fouloir
Garniture d'tanchitchevrons en PTFE
Bote garnitureRessort de garniture d'tanchit
Chapeau
Tige clapetde vanne
Dtails du chapeau de vanne
Garniture d'tanchitLanterne
Robinet d'isolement
Tige
Graisseur de garnitureD
IRA167A
Graisseur et robinet disolement
D
IRA168A
Bute haute Bute basse
Butes de fin de course sur la tige de servo-moteur
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D
IRA169B
Dtail en coupe
Longueur
la demande
D
IRA170A
Vue extrieure
Chapeau extension
D
IRA169A
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