Robinetterie, les robinets et les clapets

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3.7.4 ROBINETS A POINTEAU ( Needle valves ) Fig 1-119
Ces robinets à pointeau ont des caractéristiques similaires aux soupapes, mais sont utilisés dans des gammes de diamètres Ø dn 40. L’obturation se fait par contact linéaire. Ils servent comme organes d’obturation pour de petits appareils ( ex. appareils de mesure ) ou comme organes de réglage pour les tuyauteries de faible diamètre. Le corps est généralement en acier forgé pour les fluides à pression et température élevées, parfois le corps est usiné dans la masse ( robinet avant manomètre réalisé en inox par exemple ).




Remarque générale : Les écartement entre brides des vannes sont donnés dans les normes DIN 3300 et ANSI B16-10 pour les soupapes et les normes DIN 3202 et ANSI B16-10 pour les vannes. Ces valeurs sont importantes en cas d'échange standard ou pour les dessins des tuyauteries.


3.7.5.CLAPET DE RETENUE (Check valve)



But : Empêcher un retour de fluide en cas d'arrêt de débit ou de contre-pression. L'obturateur, soulevé par le passage du fluide retombe aussitôt si le débit cesse en cas de contre- pression. Certains modèles ne peuvent être montés que dans des conduites verticales ( clapets à soupape guidée ou clapets à bille ou à boule )

Fig 1-120. Soit uniquement dans les conduites horizontales ( Fig 1-120c ).

D'autres peuvent être montés en conduite verticale ou horizontale Fig 1-120d,e,f. Le clapet peut soit retomber de par son poids propre,soit être occasionné par un contre-poids, un ressort ou une commande hydraulique ou pneumatique. Attention, ces clapets donnent lieu à des pertes de charges importantes et peuvent provoquer des " coups de bélier " fonction de leur vitesse de fermeture. Il y a toujours lieu d'éviter de placer des clapets dans les conduites verticales lorsque l'écoulement s'effectue du haut vers le bas, aussi bien pour la vapeur que pour les liquides. Il existe également des clapets de pied ( Fig 1-120g ), qui se montent au début de la tuyauterie d'aspiration des pompes. Ils évitent le désamorçage de celles-ci et sont souvent combinés avec des crépines ( filtres ).

3.7.6 ROBINETS A BOISSEAU ( Plug cock )

Ils sont peu indiqués pour les grands diamètres, les hautes pressions ou hautes températures. Ils sont surtout utilisés pour l'eau, les liquides visqueux, les gaz ou l'air comprimé. Leur avantage est principalement l'ouverture ou la fermeture rapide et leur passage direct à pleine section. Certaines constructions permettent le mélange de fluides différents ( 3 voies ) ou les changements de direction( en L ). Suivant le fluide véhiculé, le revêtement intérieur et le boisseau peuvent être exécutés dans une matière résistant au fluide véhiculé ( inox, céramique, fibres synthétiques ).





Le boisseau traditionnel est conique, mais il existe des boisseaux cylindriques et surtout sphériques ( FIG 1- 122 ) permettant un passage directe sans déformation de la veine fluide.

3.7.7 REMARQUE



Il existe sur le marché d'autres types de vannes, telles que les vannes " guillotine " Fig 1-123 qui offrent un passage intégral et assure une perte de charge négligeable en position complètement ouverte. Il est impossible d'énumérer et détailler toutes ces vannes dans ce syllabus. Pour tous renseignements utiles, il est indispensable de consulter les fournisseurs tels que Prométal, Sogefiltre, Econosto, Belreg, et j'en passe et ce via leur représentant.

3.7.8 SOUPAPES DE SURETE ( safety valves and relief valves )

1. Rôle et description: Leur rôle est d’assurer la protection des appareils, réservoirs, réseaux ,

contre les incidents et fausses manœuvres qui peuvent occasionner une augmentation de la pression de service. Leur nombre et leurs dimensions nécessaires sont généralement déterminés par des règlements ou arrêtés ( ex. RGPT )




Les codes font la distinction entre :
- Le système " ouvert " dans lequel le fluide est rejeté directement dans l'atmosphère via une canalisation non attachée à la soupape Fig 1-125.
- Le système est "fermé" dans lequel le fluide rejeté est collecté via une tuyauterie, par exemple, dans un réservoir.

D'autre part, on fait également la distinction entre 2 types de soupapes. Les soupapes de sureté ( safety valves ) et les soupapes de décharge ( relief valves ).

La soupape de sureté s'ouvre spontanément et totalement dès que la pression amont atteint la valeur d'ouverture complète ( ex : pression de service + 10% ), c'est le type utilisé pour les gaz et vapeurs. La soupape de décharge remplit la même fonction, mais pour protéger un circuit contenant un liquide, son ouverture est lente et proportionnelle à l'excés de pression ( ex : pression de service + 25% ).

2. Types de pressions ( API 520 )

a)
Pression de service ( ps ) : (opérating pressure ) C’est la pression de fonctionnement de l’appareil ou de l’installation.

b) Pression de calcul : ( design pressure ) c’est la pression maximale admissible dans l’appareil ou la tuyauterie à protéger.

c) Pression de réglage : ( Cold differential test pressure ) C’est la pression effective à laquelle la soupape de sureté est réglée pour s’ouvrir au banc d’essai et qui tient compte des corrections nécessitées par les conditions de service ( contrepression, température … ).

Exemple :
t° <= 120 °C => 0% d’augmentation
121 à 538 °C => 3% «
> 538°C => 5% «

d) Pression de début d’ouverture ( po ) : ( set pressure) ou pression de référence. C’est la pression effective à laquelle le clapet de la soupape de sûreté commence à s’ouvrir dans les conditions de service. Généralement, cette pression de début d’ouverture est égale à la pression maximale de service ( pms ) de l’installation ou de l’appareil à protéger c’est le timbre ( T ) ou pression de tarage.

e)
Pression d’ouverture maximale : (relieving pressure ) C’est l’addition de la pression de début d’ouverture et de la surpression ( pm1 pour les gaz et ( pm2 ) pour les liquides.

f) Surpression : ( overpressure ) C’est l’augmentation de pression par rapport à la pression de début d’ouverture exprimée en pourcentage. La valeur de celle-ci est prévue par les codes et règlements nationaux.

3 % pour les chaudières suivant ASME DIV 1
10% pour les appareils à gaz ou vapeur suivant ASME DIV III
20% pour les appareils contre une augmentation due à un incendie
25% pour les soupapes de décharge de liquide

g)
Pression de fermeture ( pf ): ( reseating pressure ) C’est la pression à laquelle la soupape est complètement refermée ( clapet sur siège ).

h) Chute de pression à la fermeture : ( blow down ) C’est la différence de pression entre celle de début d’ouverture et celle de fermeture exprimée en pourcentage de la pression de début d’ouverture ( po – pf )<;

Chute de pression = 4% suivant ASME DIV 1
« =
5 % « ASME DIV III
«
= 10% « AD-MERKBLATTER A2 ( gaz )
«
= 20% « « ( fluide )

Remarque
: Pour une pression de début d’ouverture < 3 barg, la chute de pression sera < à 0,3 barg

i) Contrepression ( cp ) : ( back pressure ) C’est la pression à l’aval d’une soupape de sûreté. Elle peut s’exprimer en unités de pression absolue ou effective. C’est la somme de la contrepression initiale ( existant à la sortie de la soupape de sûreté et la contrepression engendrée pour l’écoulement du fluide provenant de la soupape de sûreté.



3. Montage: Les soupapes de sûreté sont des appareils de précision, leur montage et leur utilisation exigent quelques précautions.

a) Toujours préciser les conditions exactes d’emploi à la demandede prix, mais surtout à la commande ( nature du fluide, température, pression de tarage ). La pression de tarage est exprimée en barg, elle correspond à la pression à laquelle la soupape commence à échapper. Après essai, la pression de tarage est poinçonnée sur la soupape. Afin que la soupape ne soit pas en équilibre à la limite de la fermeture et de l’ouverture, la pression de tarage sera dans les cas usuels égale à la pression de service ( barg ) + 0,5 barg.

b) Procéder au nettoyage sévère et soigné des conduites afin de ne pas endommager les sièges et le clapet.

c) Les soupapes seront placées verticalement et largement dimensionnées ( calculs suivant ASME B31-1, par exemple, à réaliser par le fournisseur ). Si 2 soupapes sont nécessaires, elles seront montées sur une tubulure en permettant le raccordement par un seul orifice ayant au minimum une section double des 2 autres.

d) Pour la vapeur, on peut conseiller les modèles à levier de purge libre ou à contrepoids ( soupapes à plein passage ).

e) En cas de contrepression à la sortie, il est indispensable d’en indiquer la valeur, à la fois pour le constructeur de la soupape et pour réaliser un tarage correct à la pression différentielle.

f) Placer un drain après la bride d’échappement afin d’ éviter que l’eau de condensation ne puisse rester en charge sur le clapet.

Remarques : Il existe différents types de soupapes de sûreté suivant le principe de construction, la caractéristique d’ouverture ou de la levée.

On distingue : - Les soupapes de sûreté à action directe ( à levier, à contrepoids et à ressort ces dernières sont les plus répandues actuellement )

- Les soupapes de sûreté à charge additionnelle ( pneumatique, hydraulique, magnétique )
- Les soupapes de sûreté pilotées ( à l’échappement ou à l’admission ). Le fonctionnement de la soupape est commandé par le fluide provenant d’un dispositif pilote qui est lui ême une soupape de sûreté à action directe.

4.Calculs approximatifs des soupapes de sûreté

Les calculs officiels doivent être réalisés par le constructeur et être approuvés par un organisme officiel (ex. AIB-VINCOTTE , APRAGAZ, ... ) sur base des données fournies par le ‘’ Process ‘’. Sans entrer dans le détail pour ces calculs qui dépasseraient le cadre de cette étude, nous donnons ci-après, quelques formules sur base de l’API520 qui permettent une recherche approximative de la section de l’orifice et de vérifier sa fixation sur la tubulure d’attache.

Le diamètre des tubulures ( entrée et sortie soit (da) et (ds) FIG 1-125 ) sont à prendre dans un catalogue de fabricant en fonction du diamètre de l’orifice.

a) Calcul de la section de l’orifice ( soupapes conventionnelles )

- Gaz et vapeur : ( en fonction du débit massique )

A = 1,316
; relation dans laquelle : A =section de l'orifice de sortie ( mm² )



Qm = débit massique ( kg/h )

C =coefficient fonction des chaleurs spécifiques γ =
( Fig 1-129 )
Kd = coefficient de décharge pour gaz et vapeur = 0,975 si un disque de rupture et 0,62 dans le cas contraire.
Kb = coefficient de correction pour gaz et vapeur avec contre-pression ( Fig 1-127 ).
Kc = coefficient de correction = 0,9 si un disque de rupture est installé et 1 dans le cas contraire.

Exemple : Si la pression en début d'ouverture = 6,9 barg, la pression génératrice à 10% de surpression sera égal à 6,9 + 0,69 + 1,013 = 8,6 bar abs. Supposons une contre-pression constante de 5,17 barg (6,18 bar abs). Le % de contre-pression = (6,18 / 8,6) x 100 = 71,9% ; soit kb = 0,93 ( voir Fig 1-127 ).

- Gaz et vapeur ( en fonction du débit volumique )

A =


Z = facteur de compressibilité des gaz en fonction de pi et T ( si Z est inconnu adopter Z = 1 )
T = température absolue à l’entrée ( °K = °C + 273 )
Mo = masse moléculaire suivant tableau FIG 1-128
P1 = pression génératrice en kPa ( pression au début d’ouverture + surpression + 101,3 kPa )
Qv = débit volumique en Nm³/min ( 0°C, 760 mmHg ) pour les vapeurs et gaz.
d = densité du fluide ( tableau FIG 1-128 )

- Gaz et vapeur en débit subcritique

A =
= mm²

Le débit est subcritique quand :





F =



Exemple numérique

Calculer la section de sortie d'une soupape de sureté devant évacuer un débit massique de 25 T/h de propane ( gaz => Mo = 44,09 ) à la température de 320 °K ( 47 °C ) et sous p1 = 500 kPag. On adoptera une surpression de 10%, Z =1; kc = kb = 1,0 ; γ = 1,13 et kd = 0,62.

Solution

Coefficient C ( Fig 1-129 ) pour γ = 1,13 => = 0,0248
Pression absolue = 500 kPag + 101,3 = 601,3 kPa

A =
= 7285 mm²



F =


- Vapeur d’eau

A =
= mm²

avec kn =


ksh = coefficient de correction pour lavapeur surchauffée ( ksh = 1 pour la vapeur saturée ) voir tableau

FIG 1-130.










Liquides

A =
= mm²

Qv = débit de liquide ( l/min )
P2 = contre pression en kPag
ks = coefficient de correction pour surpression  25% ( FIG 1-132 )
p1 = pression en début d’ouverture en kPag
kl = coefficient de débit pour les liquides kl = 0,62 sans disque de rupture ou 0,65 avec
kv = ‘’ de correction pour les liquides visqueux ( FIG 1-133 )
kc = 1 sans disque de rupture ou 0,9 avec
kw = coefficient de correction due à la contre-pression ( Fig 1-134 ). kw = 1 si décharge à l'air

- Exemple de calcul de ks ( FIG 1-133 )

La méthode de calcul de A pour les liquides visqueux suppose que l’on prédétermine la section approximative de l’orifice en considérant kv = 1 ( fluide non visqueux ). Au moyen de la formule

Re =
on calcule ( Re ) correspondant à l’écoulement ( µ = viscosité absolue à la température de décharge en centipoises ). Si Re < 400 ( liquide très visqueux ) il est conseillé de s'adresser aux spécialistes.

- Exemple numérique

Calculer la section de décharge connaissant le débit de décharge = 6000 l/min, le liquide est de l'huile de densité = 0,9 , μ = 442 centipoises ( t° ambiante ). La contre-pression = 3,5 barg ( 350 kPag ) et la pression génératrice = 17,5 barg ( 1750kPag ). La surpression est de 10%. Il n'y a pas de disque de rupture ( kl = 0,62 ).

Solution:

Pression de décharge = 1,1 x 1750 = 1925 kPag

% surpression =
= 0,182 soit 18,2 %

La Fig 1-132 donne ks = 0,88 et la Fig 1-134 donne kw = 0,97.

Le calcul initial de A se fait en considérant kv = 1,0

Soit A =
= 3032 mm²

Re =
= 4635 mm² La Fig 1-133 nous donne kv = 0,96

Soit A final =
= 4830 mm² minimum

b) Vérification du niveau du bruit pour les fluides compressibles

En considérant un écoulement sonique à la buse, une valeur approximative du niveau du bruit ( décibels ) peut être donnée au moyen de la formule : Lp = ( 60 x Log Cs ) + ( 10 x Log Qm ) – 16

Dans laquelle : Lp = niveau du bruit en décibels à la sortie de la soupape.

Cs = 91,2
= vitesse du son ; γ = cp / cv et T = température absolue en °K
Mo = masse moléculaire et Qm = débit massique (kg /s)

A une distance ( X ) de la soupape, le niveau de bruit ( décibels ) est calculé à partir de la formule:

L = Lp - 10 Log 2π . X² ( Log = logarithme base 10 )

c) Calcul de la réaction sur la tubulure

La valeur de la force de réaction due à la décharge de la soupape doit être calculée pour vérifier la tubulure de fixation afin d’éviter des contraintes trop importantes pouvant aller, dans certains cas, jusqu’à la rupture. Il y a donc toujours lieu, pour les soupapes de sûreté placées sur des circuits de moyenne ou forte pression, de prévoir des renforts de tubulure.



Ces efforts qui agissent sur la soupape sont de 2 types:

- Fv dû à la pression interne provoquant un effort de traction au pied de la tubulure et sur les boulons de la bride de fixation.

- Fd dû à l’effort dynamique engendré par la décharge de la soupape. Si la soupape décharge directement vers l’atmosphère, cette force produira un moment fléchissant Mf = Fd x l au niveau de la bride, mais Mf’ = Fd x h au niveau de la base de la tubulure ( FIG 1-135 ). Si la soupape est équipée d’un coude, la force de réaction produira un moment fléchissant Mf’’ = Fd x L ( FIG 1-135 ).

Fd = force de réaction ( daN )
Qm = débit massique ( kg/h )
γ = cp / cv
Mo = masse moléculaire
p = pression de début d’ouverture ( barg )
S = section de l’orifice ( cm² )

Fd =


I/V ( tubulure ) = 0,1


σ f = Mf / I/V et σ t = Fv / S ( S = π ( Re² - Ri² )

σtotal = σf + σt <= Radm ( ρ et t° ) suivant fig 1-30 par exemple.

Remarque : Dans le cas des liquides la force de réaction Fd est donnée par la relation

Fd = <=

Q = débit volumique m³/s
S = section d’écoulement m²
ρ = masse volumique kg/m³

5. Utilisation courantes des soupapes de sûreté

a)
Fermeture accidentelle d’une vanne : Ce problème peut se poser lors de la fermeture accidentelle d’une vanne automatique dans une installation ( conduite ou appareil ).

b) Problèmes dans un condenseur de vapeur : Cela peut provoquer une phase vapeur supérieure à celle prévue au départ. La soupape de sûreté doit pouvoir permettre d’évacuer la différence entre les deux débits ainsi que le débit initial.

c) Fuites importantes dans les tubes d’un échangeur : Le fluide soumis à la pression la plus élevée va se déverser dans l’enceinte ayant une pression moindre.

Gaz ou vapeur côté haute pression

Pression aval < pcr , le débit à évacuer est donné par la relation des tuyères convergentes-divergentes :

Qv = 2,3 x A


pcr = pression critique
γ = cp/cv
p1 = pression la plus élevée bar abs
v1 = masse volumique du fluide m³ /kg
A = section de la soupape mm²

Pression aval > pcr ( formule des tuyères convergentes

Qv = 2,3 x A
x


Liquides dans les tubes ( orifice à paroi mince )

Qv = 6,1 x 10
. S .

Qv = débit à évacuer m³/h
S = section du tube mm²
d = densité du fluide aux conditions de service
Δp = différence de pression entre les 2 enceintes barg

d) Cas d’un feu extérieur

-
Stockage de gaz liquéfié ( API520

Qm =

Qm = débit massique de vapeur à évacuer kg/h
F ‘ = coef. d’isolation du réservoir
As= surface mouillée m²
λ = chaleur de vaporisation kJ/kg

- Stockage de gaz

A = 18,5


A = section de décharge cm²
Az = section exposée du réservoir m²
F ‘ = facteur dépendant de la t° du gaz et de γ
P1 = pression absolue de décharge ( pm1 + s ) bar abs

e) Expansion thermique du liquide ( API520 )

Qv = 0,001


Qv = débit à évacuer m³/h
B = coef. expansion thermique

0,00018 pour eau et hydrocarbures légers
0,00072 pour les fiouls FIG 1-125-1

H = quantité de chaleur transmise kJ/kg
d = densité du liquide
c = chaleur spécifique du liquide kJ/kg°c

Note : Il est conseillé aux lecteurs de consulter les normes API520 avant prise de décisions.

 
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