Vanne

Section d'une vanne à clapet.

Toutes les vannes sont constituées des parties fonctionnelles suivantes (voir aussi la figure ci-contre) :

1. Corps (body en anglais) ;
2. Voie ou passage (port en anglais) ;
3. Portée ou siège (seat en anglais) ;
4. Axe ou tige (stem en anglais) ;
5. Opercule, obturateur ou rotor, tels que : boisseau, papillon, guillotine, sphère ou boule... (disc, rotor ou valve member en anglais), appelé tablier lorsque la vanne est plate ;
6. Volant ou actionneur (actuator en anglais) : élément extérieur à la vanne stricto sensu, qui permet de manœuvrer celle-ci ;
7. Chapeau ou bonnet (bonnet en anglais) ;
8. Garniture de presse-étoupe (packing en anglais) : qui permet de maintenir l'étanchéité ;
9. Écrou de presse étoupe (gland nut en anglais);

Commentaires :
10. Sens d'écoulement du fluide ;
11. Position de l'opercule lorsque la vanne est fermée ;
12. Position du volant lorsque la vanne est fermée.

À ces éléments s'adjoint un système de raccordement à la tuyauterie (interface de la vanne avec la tuyauterie amont et aval). Il peut être :

1. soudé (à embout ou à emmanchement) ;
2. boulonné (à brides) ;
3. vissé.

Une vanne peut être automatisée, par le biais d'un servomoteur (un élément assurant la conversion d'un signal de commande en mouvement de la vanne).

Pour définir une vanne, il est nécessaire d'en spécifier les éléments suivants :
- Le type : à boisseau, à opercule, à soupape, à papillon, etc.
- La taille : depuis le petit robinet jusqu'à la très grosse vanne de régulation du débit d'eau dans une centrale hydroélectrique
- La norme de construction : qui définit les encombrements, la taille des brides éventuelles. Les normes usuelles sont la norme ISO, DIN ou ANSI
- La pression nominale de conception (PN) : standardisée selon les normes, par exemple PN16, PN25, PN40 (pour 16, 25 ou 40 bar).
- Le raccordement sur la tuyauterie : à visser (NPT ou BSPT), à brides, à souder (BW : bout à bout; SW : à emmanchement).
- La matière de construction : définie suivant la compatibilité des matériaux avec le fluide.
- L'actionnement de la vanne : manuel ou motorisé. Électrique, on parle alors d'électrovanne, hydraulique ou pneumatique.

On distingue différents corps de vanne[3]:

• Corps droit : l'entrée (du fluide) et la sortie de la vanne sont dans le même axe
• Corps d'angle : l'entrée et la sortie sont dans 2 plans perpendiculaires
• Corps mélangeur : la vanne possède deux entrées et une sortie afin de permettre le mélange de deux fluides
• Corps de dérivation (répartiteur) : la vanne possède une entrée et 2 sorties afin de permettre la séparation du fluide selon 2 directions.

Si le mouvement de la vanne n'est pas manuel, par un volant ou un levier ajustable, il est possible d'y adjoindre un servomoteur (actionneur). Le servomoteur met en mouvement la tige de l'opercule de la vanne, avec deux fonctions :

• Lutter contre la pression du fluide glissant sur l'opercule et réguler le débit traversant la vanne
• Assurer l'étanchéité de la vanne

Les servomoteurs sont actionnés par l'air comprimé (vanne pneumatique), l'eau ou l'huile (vanne hydraulique), l'électricité (servomoteur électrique d'une électrovanne)[3].

Il est également possible de motoriser une vanne manuelle avec un actionneur portable pour améliorer le confort de manœuvre des opérateurs mais également en cas d'absence d'énergie disponible (vannes isolées). Dans ce cas, il existe des actionneurs portables pneumatique, électrique sur batterie ou thermique (à essence)[4].

Vanne à opercule - grand diamètre

La vanne à opercule arrête le débit et isole la tuyauterie aval. Elle est appelée à passage direct, car elle permet le passage intégral du fluide, sans perte de charge dans la tuyauterie lorsqu'elle est complètement ouverte.

L'obturateur est à siège oblique à opercule (monobloc ou flexible), double opercule ou à sièges parallèles.

Le chapeau est à tige montante, à tige fixe à filet intérieur ou à tige coulissante à levier.

Le volant est fixé sur la tige qui se déplace avec celui-ci, ou fileté avec la tige qui monte à l'intérieur du volant fixe, ou l'opercule se déplace sur le filet extérieur de la tige qui est fixe. L'on dira "à tige montante".

Robinet à clapet ajusté par un volant avec réducteur

Principe de fonctionnement d'un robinet à clapet

Dans une vanne à clapet ou encore appelée à soupape, le fluide est dévié à l'entrée de la vanne vers le clapet (plug en anglais) qui module le débit en fonction de son éloignement par rapport au siège de la vanne (ouverture).

Contrairement à d'autres modèles de vannes, le robinet à soupape est adapté à la régulation de débit des fluides. La régulation est d'autant plus fine que la forme du clapet (souvent parabolique) est profilée. La puissance émise par un échangeur par exemple pourra ainsi être directement proportionnelle à l'ouverture de la vanne.

Les inconvénients de la vanne à clapet sont :

• Le taux de fuite ;
• La perte de charge ;
• L'encombrement ;
• L'effort pour manœuvrer la vanne en fonction de la pression.

Comme pour la vanne à opercule, le robinet à soupape est actionné par un volant et une tige montante ou non.

La régulation automatique est souvent assurée :

• par un moteur pneumatique à membrane en milieu industriel ;
• par un moteur électrique en CVC.

Le mouvement du clapet à la fermeture s'oppose au passage du fluide, pour réduire les coups de bélier, en particulier lorsque la vanne est automatisée.

Boule ou boisseau sphérique

La vanne à boisseau sphérique (ball valve en anglais) est équipée d'une sphère percée d'un trou, souvent de même diamètre que l'alésage de la vanne. Mais par raison d'économie, certaines vannes ont une sphère plus petite avec un passage plus petit : l'inconvénient est une perte de charge plus importante que celle de la vanne plein passage. Elle a l'avantage d'être manœuvrable rapidement en tournant le levier de manœuvre d'un quart de tour seulement. Elle est utilisée pour des fluides "propres" comme l'eau, le gaz, le pétrole à l'exception des fluides chargés ou de la vapeur.

La vanne à boisseau sphérique est employée dans les installations de chauffage central ou d'eau sanitaire. C'est une vanne d'arrêt pour couper la circulation d'eau dans une partie du circuit, mais elle est également utilisée en vanne de régulation de débit si elle est équipée d'un opercule de régulation adapté.

Les avantages sont :

• l'étanchéité à la fermeture ;
• la compacité ;
• la faible consommation moteur pour manœuvrer la boule.

Le bouchon à tête hexagonale peut être remplacé par un petit robinet de purge pour vidanger la tuyauterie que la vanne a isolée.

La vanne à boule flottante est maintenue seulement par la tige de manœuvre et les sièges ; elle se distingue de la vanne à boule arbrée, qui est maintenue en place par un axe à la partie inférieure. Cette seconde configuration est surtout utilisée pour les fluides à haute pression.

Le corps de la vanne à boule se présente sous différentes formes :

• corps monobloc : 1 pièce ;
• corps 2 pièces : deux coquilles boulonnées entre elles qui enferment la boule ;
• corps 3 pièces : la partie centrale est serrée par des tirants fixés sur les extrémités ;
• corps soudé : entièrement soudé, pour limiter les risques de fuite pour les applications sous-marines.

- Vue du haut à gauche : robinet 2 voies ;
- Vue du haut à droite : robinet 3 voies en « L » ;
- Vue du bas à gauche : robinet 3 voies en « T » (pour préciser et distinguer du cas précédent) ;
- Vue du bas à droite : robinet 4 voies.

Les voies sont en effet les passages possibles que peut emprunter le fluide pour entrer ou sortir du corps

Il s'agit vraisemblablement du premier type de vanne qui ait existé. On le retrouve entre autres dans les canalisations des cités romaines. Le principe est le même que celui de la vanne à boule, mais l'opercule est constitué d'un cône percé. Le boisseau peut être inversé (base en bas) ou non selon l'application. L'étanchéité du corps se fait par l'injection de graisse sous pression ou par une chemise en téflon (entre le corps de la vanne et le tronc de cône).

La vanne « papillon » est utilisée pour les tuyauteries de diamètre 50 mm (2 pouces) et plus. Elle se présente sous un format « gaufré » ou à brides.

Vanne papillon gaufrée avec actionneur

Vanne papillon à brides

Le format gaufré s'installe entre deux brides de la tuyauterie qui servent de fixation et retenue par des oreilles de centrage. La vanne papillon gaufrée arrête le débit du fluide qui circule dans la tuyauterie.

Comme elle est installée entre deux brides, elle ne peut être enlevée sans avoir vidé au préalable toute la tuyauterie (à moins d'avoir assuré sa fixation par un jeu d'écrous supplémentaires, de part et d'autre des oreilles de centrage).

Le format à brides a le même usage que la précédente avec l'avantage qu'on peut enlever la tuyauterie en aval de la vanne sans vider la tuyauterie amont, après avoir fermé la vanne.

Pour les petits diamètres de tuyauterie, les vannes papillons peuvent être actionnées au moyen d'un levier (de 2 1/2 à 4 pouces "63,5 à 100 mm"). Pour les gros diamètres (8 pouces "200 mm" ou plus), un actionneur à volant avec engrenage démultiplicateur est nécessaire du fait des efforts requis pour la manœuvre. L'actionneur peut être aussi manuel / pneumatique ou manuel / électrique.

Vannes guillotines à commande pneumatique sur une canalisation à vendange

Animation de l'opercule d'une vanne papillon

Contrairement à d'autres modèles de vannes dont la position doit être ouverte ou fermée, la vanne papillon peut servir au contrôle de débit par la turbulence qu'elle provoque quand elle est positionnée plus ou moins ouverte. Beaucoup d'autres vannes ne modifient le débit que lorsqu'elles sont presque fermées, d'où leur usage exclusif comme vanne tout ou rien.

La vanne guillotine est une vanne d'arrêt sur un réseau d'eaux chargées ou à pression. La descente et la remontée de l'opercule se font par une tige équipée d'une poignée (généralement un volant). L'obturateur est ouvert lorsque la tige est remontée et fermé à l'inverse, à l'image d'une lame de guillotine qui coupe le flux.

La vanne guillotine est conçue comme un corps étroit ; il n'y a pas de rotation de l'opercule comme pour une vane papillon. La descente du volet se fait entre deux manchons de raccordement[5].

La vanne guillotine est une vanne ouverte ou fermée, parfois dont la fermeture est ajustée, mais en aucun cas un type de vanne adapté pour la régulation de débit.

De conception proche des vannes à clapet, ici la cage aussi bien que le clapet contribue au réglage du débit. Les cages peuvent avoir des formes très variées permettant de produire toutes formes de courbes caractéristiques. Elles permettent d'effectuer la détente en plusieurs étages, utile pour résoudre des problèmes de bruit ou de cavitation

Petite vanne à membrane

La vanne à membrane est composée d'un piston, d'une membrane, d'un siège et d'un corps. Le mouvement du piston, actionné par voie manuelle, pneumatique ou motorisée déforme la membrane qui vient obstruer la surface du siège, sans contact entre l'extérieur ou l'actionneur et le fluide. Le fluide ne passe plus, la vanne est fermée. La conception du piston et du siège évitent la compression excessive de la membrane. La membrane peut être métallique, en plastique ou en d'autres matériaux (élastomère ou mélange d'élastomères). Cette vanne limite au maximum les "zones mortes" et est pour cette raison utilisée dans les procédés aseptiques et hygiéniques de l'industrie alimentaire ou pharmaceutique, ou pour des produits chimiques agressifs, très visqueux et/ou abrasifs, ou dans des circuits nécessitant d'être périodiquement désinfectés ou bien nettoyés[6]. Certains modèles ont une membrane à usage unique et peuvent être facilement démontés et être stérilisés (à la chaleur ou par irradiation gamma). Certains modèles résistent à des pressions pouvant atteindre une dizaine de bars et à des guides très abrasifs (ciments, granulats, fluides miniers...).

Une variante en est la « vanne à manchons » où deux membranes sont pressées l'une contre l'autre.

Vanne ou écluse rotative utilisée dans le transfert de produits pulvérulents

Dans les applications d'automatisme, les vannes tous fluides se distinguent par les caractéristiques suivantes : contrôle des fluides, fluides conventionnels, pour air sec, pour l'air et l'eau, vannes 2/2 à commande directe, vannes pour application haute pureté, pompes de process, positionneur électro-pneumatique.

Une vanne-secteur (ou vanne secteur, et également appelée vanne-segment) est constituée d'un segment de cylindre pouvant pivoter sur son axe. Elle est souvent utilisée en haut des barrages hydrauliques, car sa forme permet de transmettre les efforts dus à la pression du fluide sur sa surface sur l'axe du cylindre, rendant ainsi l'effort nécessaire à sa manœuvre peu sensible à cette pression.

Une vanne levante est une vanne constituée d'un obturateur plat, maintenu en position fermée par la force de pesanteur, et qu'il suffit de soulever pour passer en position ouverte.

La vanne plongeante est un type de vanne souvent utilisé pour les roues à aubes.

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