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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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3

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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6

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

18

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13

Vanne GL Fisher Control

D

IRA2195A

D6 -4/A


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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

2196A

D6 -4/A


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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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17

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


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.

D6 -4/A


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00596_I_F

18

c - Exemple d'appareil indus triel

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2

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3

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1

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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 :

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Extrmitdu levier

positionneur

Sortie versservomoteur

Alimentation1,4 bar relatif

Sige ct

alimentation

Sige ct

atmosphre

Clapet

D

IRA114A

D6 -4/A


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00596_I_F

19

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



Liaison tige de vannepositionneur


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

D6 -4/A


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00596_I_F

20

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

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y

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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)

D6 -4/A


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00596_I_F

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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


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



Liaison tige de vannepositionneur D

IRA132A

D6 -4/A


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00596_I_F

22

Appareil industriel

;

;

;

;

y

y

y

y

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y y

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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

D6 -4/A


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00596_I_F

23

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

D6 -4/A


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00596_I_F

24

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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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.

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;y

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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.

D6 -4/A


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00596_I_F

25

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

D6 -4/A


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26

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

D6 -4/A


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00596_I_F

27

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

D6 -4/A


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28

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.

D6 -4/A


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00596_I_F

29

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.

D6 -4/A


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00596_I_F

30

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

D6 -4/A


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31

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

D6 -4/A


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00596_I_F

32

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.

D6 -4/A


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00596_I_F

33

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

D6 -4/A


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34

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

D6 -4/A


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00596_I_F

35

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


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

D6 -4/A


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37/39

00596_I_F

36

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

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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

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Graisseur et robinet disolement

D

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Bute haute Bute basse

Butes de fin de course sur la tige de servo-moteur

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D

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Dtail en coupe

Longueur

la demande

D

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Vue extrieure

Chapeau extension

D

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Documents