Une vanne à bille comporte un disque sphérique pour ouvrir et fermer le flux du fluide. Ils constituent la norme industrielle pour les applications d’obturation de pipeline, car leur conception garantit un joint très étanche et sans fuite, même après des années de fonctionnement. Les deux principaux types de robinets à boisseau sphérique sont les modèles flottants et à tourillon (entrée latérale ou supérieure). Le corps peut être moulé ou forgé et monolithique ou fendu (en 2 ou 3 pièces). L’API 6D et l’ASME B16.34 sont des spécifications clés.
Qu’EST-CE QU’UNE VANNE À BOULE ?
Les vannes à bille sont des dispositifs clés pour fermer et réguler le débit d’un fluide (pétrole, gaz, vapeur, etc) dans l’industrie pétrochimique.
ADVANTAGES ET DÉSAVANTAGES DES VANNEAUX À BOULE
Ce type de vanne présente les avantages suivants :
- peut être rapidement ouvert et fermé avec un mouvement d’un quart de tour
- assurer un joint très étanche sans avoir besoin de forces de couple élevées
- avoir une conception compacte (c’est la principale différence entre un robinet à bille et un robinet-vanne – qui sont tous deux des dispositifs tout ou rien)
Les inconvénients sont :
- le robinet a de faibles capacités de régulation et d’étranglement, car il est conçu pour la fermeture de la canalisation au lieu de la modulation du débit (c’est une fonction idéale pour les robinets à soupape) : l’étranglement entraîne l’érosion du siège partiellement exposé en raison de la vitesse élevée du débit et de la pression subie par le robinet. L’usure peut conduire progressivement à une fuite de la vanne.
- La vanne ne peut pas être utilisée pour les boues, car l’accumulation de particules en suspension et de débris rendrait la vanne étanche. Ces particules peuvent se solidifier dans les cavités à proximité de la bille et des sièges. Les vannes à bille sont beaucoup plus très efficaces avec les gaz et autres fluides liquides (même les produits chimiques difficiles comme le chlore sec, l’acide fluorhydrique ou l’acide chlorhydrique, et l’oxygène).
- peuvent être difficiles à nettoyer (sauf pour la conception à entrée par le haut)
La position ouverte, fermée ou partiellement ouverte de la vanne peut être détectée en regardant la position du levier :
- lorsque le levier est aligné sur le tuyau, la vanne est ouverte ; lorsqu’il est perpendiculaire au tuyau, la vanne est fermée;
- lorsqu’il est dans toute autre position, la vanne est partiellement ouverte (ou partiellement fermée) et module le débit.
Ces robinets appartiennent à la famille des robinets « quart de tour » ou « robinet 1/4 de tour » (avec les robinets à papillon et les robinets à tournant), car les opérations d’ouverture et de fermeture sont exécutées en tournant de 90 degrés un levier relié au disque.
Les principales spécifications des robinets à tournant sphérique sont les spécifications API 6D, BS 5351 (forgé) et ASME B16.34 (pressions et températures nominales), ASME B16.5/B16.47 (extrémités à brides) et ASME B16.25 (extrémités à soudure bout à bout).
Comment cela fonctionne-t-il ?
La bille à l’intérieur de la vanne a un trou à travers lequel le flux passe librement lorsqu’elle est complètement alignée avec les deux extrémités de la vanne. Lorsque le trou est complètement perpendiculaire aux extrémités du dispositif, la vanne est parfaitement étanche.
Au contraire, lorsque le trou est dans toute autre position (perpendiculaire aux extrémités de la vanne par exemple), l’écoulement est totalement ou partiellement interrompu.
Vanne à bille vs vanne à opercule
Cette vanne absout la même fonction qu’une vanne à opercule (fermeture). La différence entre un robinet à bille et un robinet-vanne est que le premier utilise une bille sphérique pour ouvrir/fermer le flux, le second utilise un disque assis sur un siège. La différence entre ces deux vannes se situe donc au niveau de la conception et de la compacité.
Vanne à bille vs robinet à soupape
Ces vannes ne sont pas aussi précises que les robinets à soupape pour étrangler le flux de fluide, car elles ont généralement des positions positives (à 0, 45 et 90 degrés) au lieu de positions incrémentales. De plus, la vanne serait endommagée par des positions d’ouverture partielle (ou des opérations d’ouverture/fermeture répétées) à long terme (ce qui n’est pas un problème pour les vannes à soupape).
TYPES DE VANNE A BILLE
Les vannes à bille peuvent être classées selon de multiples critères :
- Conception : flottante, montée sur tourillon et à double purge et blocage
- Nombre de ports : le type standard est avec une conception à 2 ports (1 entrée, 1 sortie), mais une conception à 3 voies est également disponible (1 entrée et 2 sorties ou vice-versa)
- Taille de l’alésage : alésage complet ou réduit (FB vs. RB), et encoche en V
- Assemblage du corps : unibody (le corps de la boule est fabriqué à partir d’une seule pièce d’acier moulé ou forgé), 2 pièces ou 3 pièces (le corps résulte de l’assemblage de deux ou trois pièces différentes)
- Accès à la boule : entrée latérale ou entrée par le haut (selon le fait que l’on peut accéder à la bille, pour l’entretien, par le côté de la vanne ou par son sommet)
- Type de siège : métallique ou souple (téflon)
Vanne à bille flottante
Dans une vanne flottante, la bille est suspendue dans le fluide en écoulement et est maintenue en position par la compression de deux sièges en élastomère contre elle.
L’arbre est connecté au sommet de la boule et permet le passage d’une position ouverte à une position fermée avec un mouvement d’un quart de tour (90 degrés).
Lorsque l’arbre est déplacé, une charge est appliquée à la boule qui se retrouve comprimée contre ses sièges.
Cette conception, qui est légère et économique, convient aux tailles d’alésage jusqu’à 10 pouces : au-delà de cette taille d’alésage, les sièges de la vanne ne seraient pas en mesure de supporter des billes de plus en plus lourdes et la vanne ne fonctionnerait pas de manière sûre et efficace.
Les vannes flottantes permettent une fermeture bidirectionnelle de l’écoulement (comme le type trunnion).
(Source : Walworth Valves Youtube Channel)
VALVE A BILLE TRUNNION
Les vannes trunnion ont été introduites pour faire face aux limitations de taille des vannes flottantes standard décrites ci-dessus. En effet, dans ce type de vannes, l’arbre, la bille et le tourillon de support agissent comme un seul ensemble solide capable de supporter les lourdes charges générées par des billes de grandes dimensions.
En plus d’un avantage de flexibilité en termes de taille, une vanne à tourillon présente un couple de fonctionnement plus faible par rapport à une conception de vanne flottante (ce qui peut devenir un avantage lorsque la vanne doit être actionnée, car des actionneurs plus petits et économiques peuvent être montés pour actionner la vanne).
Vanne à bille en acier inoxydable, type monté sur tourillon
(Source : Robert Cort – Wartsila Valves Youtube Channel)
ENTrée latérale VS. TOP ENTRY
Quelle est la différence entre un robinet à tournant sphérique à entrée latérale et un robinet à tournant sphérique à entrée supérieure ?
Ces termes se rapportent à la façon dont on peut accéder à la boule du robinet et à ses pièces internes, par le côté (entrée latérale) ou par le haut (entrée supérieure).
Les robinets à tournant sphérique flottants et montés sur tourillon sont disponibles avec une conception « entrée latérale » et « entrée supérieure ».
La conception à entrée par le haut est spécifiée lorsque des activités fréquentes de maintenance en ligne sont prévues sur la vanne.
Cela est dû au fait que les vannes à bille à entrée par le haut permettent un accès plus facile et plus rapide à la bille et à la garniture de la vanne par rapport aux vannes à entrée latérale (qui nécessitent plus de temps et d’espace de maintenance pour les mêmes opérations).
Les principales différences entre ces deux conceptions de vannes à bille sont :
- Les robinets à tournant sphérique à entrée par le haut sont fabriqués, généralement, avec des corps en acier moulé ; les robinets à entrée latérale sont fabriqués avec des corps (robustes) en acier forgé
- Les robinets à tournant sphérique à entrée par le haut ont une structure monolithique (sont fabriqués par une seule pièce) ; les robinets à entrée latérale ont un assemblage de deux ou trois pièces
- Les robinets à tournant sphérique à entrée par le haut nécessitent plus de tests non destructifs que les robinets à entrée latérale en raison de leurs corps moulés ;
- Les robinets à tournant sphérique à entrée latérale sont plus faciles à assembler et à fabriquer que les robinets à entrée par le haut, qui nécessitent une longue expérience et un savoir-faire pour fonctionner correctement
- Les robinets à tournant sphérique à entrée par le haut sont généralement plus chers que ceux à entrée latérale et ont des délais de livraison plus longs en raison des opérations de moulage nécessaires pour fabriquer le corps
3 VOIES
Généralement, un robinet à tournant sphérique a deux entrées (ou « deux voies »).
Cependant, pour certaines applications, un robinet à bille à 3 voies peut être spécifié. Une vanne à bille à 3 voies a 3 ports (entrées), au lieu de seulement deux.
Cette conception multiport est nécessaire pour détourner le fluide provenant de l’entrée de la vanne principale vers deux directions différentes (au lieu d’une seule), chacune desservie par deux sorties de vanne distinctes. Une autre application typique d’une vanne à bille à 3 voies est d’avoir la ligne d’écoulement principale desservie par deux entrées séparées et alternatives.
La bille d’une vanne à bille à 3 voies peut avoir une conception en L ou en T comme le montre l’image ci-dessous. En outre, ce type spécial de robinet à boisseau sphérique est disponible en conception flottante ou à tourillon, avec n’importe quel type d’extrémité de robinet (raccordement à bride, à douille ou fileté) et dans divers matériaux allant du plastique, à l’acier au carbone, à l’alliage et à l’acier inoxydable.
PORT COMPLET VS PORT RÉDUIT
Ces concepts font référence à la relation entre le diamètre d’alésage du robinet et le système de tuyauterie connecté. Plus en détail:
- Le type « Full port » (FB) présente une taille d’alésage (le trou de la boule) correspondant à la taille d’alésage de la tuyauterie connectée. Les robinets à boisseau sphérique à passage intégral minimisent la chute de pression générée par les robinets à passage réduit, mais ils sont bien sûr plus encombrants, plus lourds et plus chers. Les robinets à boisseau sphérique FB sont mieux adaptés, que les robinets à boisseau sphérique RB, aux applications d’étranglement.
- Le type de robinet à boisseau sphérique « à port réduit » (RB) a une taille d’alésage qui est plus petite que la taille d’alésage de la tuyauterie connectée (par exemple un tube). Le fluide traversant la vanne est, dans ce cas, limité à un pourcentage (généralement entre 70 et 80%) du débit total dans la canalisation. La vanne à bille à port réduit crée une chute de pression dans la canalisation.
MATERIAUX
Ce type de vanne est disponible avec des matériaux de corps moulés ou forgés (monobloc, ou fendu).
Généralement, les vannes de moins de 2 pouces de diamètre ont des corps forgés de 2 pièces ou de trois pièces (le plus courant est ASTM A105 pour le service à haute température, ASTM A350 LF2 et LF3 pour le service à basse température et ASTM A182 F304, F316 pour la vanne en acier inoxydable ou des qualités supérieures, telles que les vannes duplex ASTM A182 F51 et super duplex ASTM A182 F53/F55).
Les corps forgés sont également utilisés pour les vannes haute pression de tailles d’alésage plus élevées (avec une construction de corps fendu en 2 ou 3 pièces).
Exemples de vannes à bille forgées (petite taille et vanne en acier inoxydable avec un corps forgé, monté sur tourillon).
Les vannes de tailles supérieures à 2 pouces ont un corps moulé (les qualités les plus courantes sont ASTM A216 WCB pour le service à haute température, ASTM A352 pour le service à basse température et ASTM A351 CF8, CF8M pour les vannes en acier inoxydable moulé).
Le symbole de ce type de vanne dans les diagrammes P&ID est représenté ci-dessous
.