Vannes de régulation

G฀uide฀d’achat I N STR U M E N TATI ON Vannes de régulation  Il n’y a guère de règles précises pour choisir une vanne de régulation. Comme toujours, c’est l’application qui guide les choix technologiques. Deux fournisseurs peuvent toutefois proposer deux technologies différentes pour une même d’application. C’est aussi une question de culture. En France, par exemple, le parc de vannes rotatives est plus important que celui des vannes linéaires. Aux Etats-Unis c’est exactement le contraire. Chaque constructeur apporte des améliorations à sa technologie, lui permettant d’être installée là où elle n’avait auparavant pas accès. Difficile donc de s’y retrouver et d’avoir une vision globale de ce marché. Pour être sûr de faire le bon choix, il vaut mieux rester pragmatique : connaître bien son process, faire le choix du corps de vanne, puis le servomoteur, puis le positionneur… Il paraît qu’on apprend vite… D ans฀le฀monde฀des฀vannes,฀il฀faut฀ avancer฀ prudemment.฀ Une฀ vanne฀de฀régulation฀comporte฀ trois฀éléments฀principaux฀:฀le฀ corps฀ de฀ vanne฀ qui฀ assure฀ le฀ réglage฀ du฀ débit฀;฀le฀positionneur฀qui฀régule฀l’ouverture฀ de฀la฀vanne฀en฀accord฀avec฀le฀signal฀de฀commande฀;฀le฀servomoteur฀ou฀l’actionneur฀qui฀ assure฀ la฀ conversion฀ du฀ signal฀ de฀ comL’essentiel mande฀en฀mouvement฀  Pour choisir une vanne de de฀ la฀ vanne.฀Voilà฀ au฀ régulation, il faut d’abord moins฀une฀chose฀acdéfinir les caractéristiques quise.฀Après,฀plus฀rien฀ de son process : température, n’est฀sûr… pression, pression différenVannes฀à฀clapet,฀vannes฀ tielle, nature du fluide… à฀ papillon,฀ à฀ mem Le choix du corps de vanne brane,฀à฀boisseau฀sphédépendra aussi de la culture rique,฀vannes฀globes,฀ de chaque fournisseur vannes฀à฀éléments฀sphé Vannes droites ou vannes riques฀ou฀à฀obturateur฀ rotatives, les avis sont excentré,฀comment฀s’y฀ partagés retrouver฀?฀«฀L’utilisateur฀  Il en va de même pour les ne฀s’y฀retrouve฀pas฀vraipositionneurs analogiques ment฀»,฀ reconnaît฀ un฀ ou numériques fabricant฀ anonyme.฀  Les positionneurs numériques «฀C’est฀une฀question฀d’hapar leur capacité bitude฀»,฀ nous฀ dit฀ un฀ d’auto-diagnostic s’imposent autre฀qui฀se฀veut฀plus฀ lentement mais sûrement rassurant. 50 La฀norme฀internationale฀IEC฀60534฀sur฀les฀ vannes฀de฀régulation฀des฀process฀industriels฀ propose,฀ entre฀ autres,฀ une฀ terminologie฀ pour฀définir฀tous฀les฀noms฀des฀vannes,฀tous฀ les฀accessoires,฀tous฀les฀paramètres. Personne฀ne฀la฀suit฀vraiment,฀chacun฀restant฀ avec฀son฀propre฀vocabulaire.฀L’une฀des฀raisons฀s’explique฀par฀le฀fait฀que฀chaque฀constructeur฀détient฀son฀propre฀savoir-faire,฀a฀ développé฀ses฀propres฀technologies฀avec฀une฀ multitude฀de฀petites฀subtilités.฀Il฀utilise฀donc฀ des฀termes฀“bien฀à฀lui”฀et฀il฀ne฀veut฀surtout฀ pas฀en฀changer฀pour฀montrer฀sa฀différence.฀ Donc,฀dans฀le฀monde฀des฀vannes,฀on฀n’est฀ jamais฀vraiment฀certain฀de฀parler฀de฀la฀même฀ chose. Et,฀lorsque฀l’on฀est฀à฀peu฀près฀d’accord฀sur฀ le฀vocabulaire,฀il฀paraît฀bien฀délicat฀de฀prétendre฀ qu’une฀ vanne฀ rotative฀ à฀ boisseau฀ sphérique฀est฀meilleure฀qu’une฀vanne฀linéaire฀à฀cage.฀Il฀semble฀tout฀aussi฀hasardeux฀ d’affirmer฀qu’il฀faut฀préférer฀un฀actionneur฀ pneumatique฀simple฀effet฀ou฀double฀effet.฀ Cela฀dépend฀de฀la฀culture฀de฀chacun.฀Ainsi,฀ certains฀constructeurs฀affirment฀avec฀la฀plus฀ grande฀conviction฀que฀les฀vannes฀rotatives฀ sont฀la฀meilleure฀solution฀technico-économique฀pour฀les฀fortes฀pressions.฀D’autres,฀au฀ contraire,฀assureront,฀tout฀aussi฀sûrs฀d’euxmêmes,฀que฀ce฀sont฀les฀vannes฀droites. La฀vérité฀est,฀sans฀doute,฀un฀peu฀partout.฀ Chaque฀fabricant฀a฀amélioré฀ses฀produits฀en฀ fonction฀de฀sa฀propre฀culture฀et฀de฀sa฀stratégie฀marketing฀:฀il฀y฀a฀les฀constructeurs฀“vannes฀droites”฀et฀les฀constructeurs฀“vannes฀ rotatives”.฀Il฀y฀a฀ceux฀qui฀sont฀“actionneurs฀ analogiques”,฀et฀ceux฀qui฀sont฀“actionneurs฀ numériques”… Le฀prix฀n’est฀pas฀un฀indicateur฀plus฀fiable.฀ Ainsi,฀pour฀la฀même฀application฀un฀fournis- Deux฀grandes฀familles฀ Vannes rotatives L’ouverture/fermeture de la vanne se fait par un mouvement rotatif du clapet de 0 à 90 ° Avantages  Meilleure rangeabilité  Meilleure Cv  Emissions fugitives minimisées (étanchéité au presse- étoupe)  Bonne résistance aux vibrations  Faible poids  Intégration simple dans la tuyauterie Vannes linéaires L’ouverture/fermeture de la vanne se fait par un mouvement linéaire de la tige de bas en haut et de haut en bas Avantages  Une vanne globe (vanne droite) est davantage préconisée pour les cas difficiles (forte température, forte pression, grande différence de pression)  Pour des hautes pressions (le clapet équilibré réduit fortement la puissance et la taille de l’actionneur)  Moins de phénomène de cavitation MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com Corps de vanne, servomoteur, positionneur sont les trois éléments principaux d’une vanne de régulation. Le choix du corps de la vanne dépend de l’application mais aussi du savoir-faire du fabricant. seur฀vous฀vendra฀une฀vanne฀rotative฀plus฀ chère฀qu’une฀vanne฀linaire.฀C’est฀une฀question฀de฀stratégie฀marketing,฀de฀volume฀de฀ production.฀«฀Cela฀dépend฀aussi฀de฀l’usine฀la฀plus฀ proche,฀reconnaît฀un฀fournisseur.฀Si฀elle฀produit฀ des฀vannes฀linéaires,฀les฀commerciaux฀locaux฀favoriseront฀davantage฀cette฀technologie.฀» Nous฀voilà฀donc฀bien฀avancés.฀«฀Si฀j’avais฀à฀ résumer฀la฀situation,฀le฀choix฀d’une฀vanne฀dépend฀ toujours฀des฀conditions.฀Sur฀de฀l’eau,฀à฀10฀bar฀et฀ 20฀°C,฀on฀peut฀mettre฀n’importe฀quel฀type฀de฀vanne,฀ précise฀Jean-Luc฀Drezet,฀directeur฀des฀ventes฀ de฀Metso฀Automation.฀«฀Après฀c’est฀au฀cas฀par฀cas.฀ Sur฀de฀la฀vapeur฀à฀350฀°C฀avec฀une฀forte฀perte฀de฀ charge,฀on฀doit฀déjà฀éliminer฀les฀vannes฀à฀segments฀ sphériques฀ou฀à฀obturateur฀excentré…฀Sur฀des฀applications฀très฀difficiles฀à฀haute฀température฀et฀à฀ haute฀pression,฀on฀vous฀orientera฀davantage฀vers฀une฀ vanne฀linéaire฀à฀cage.฀» D’abord, faire le choix des bons paramètres Pour฀choisir฀une฀vanne,฀il฀faut฀d’abord฀connaître฀le฀process฀sur฀lequel฀elle฀sera฀installée.฀ Le฀facteur฀le฀plus฀important฀en฀premier฀lieu฀ est฀la฀valeur฀de฀la฀pression฀différentielle฀(ΔP)฀ que฀doit฀maintenir฀la฀vanne฀fermée฀(force฀ sur฀le฀clapet฀=฀surface฀du฀clapet฀x฀pression). MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com Ceci฀ détermine฀ ou฀ élimine฀ déjà฀ certains฀ types฀de฀vannes฀qui,฀suivant฀le฀diamètre,฀ n’ont฀pas฀l’actionneur฀adéquat.฀Certaines฀ vannes฀(comme฀les฀vannes฀à฀cage,฀par฀exemple)฀sont฀plus฀étudiées฀au฀fonctionnement฀ avec฀de฀fortes฀ΔP. Ensuite,฀il฀faut฀vérifier฀le฀produit฀à฀contrôler฀:฀ liquide,฀gaz,฀vapeur,฀chargé฀ou฀non,฀et฀les฀ conditions฀en฀pression฀et฀en฀température…฀ Tous฀ces฀facteurs฀doivent฀être฀évidemment฀ connus.฀Autre฀paramètre฀important฀:฀le฀Cv.฀Il฀ s’agit฀du฀repère฀de฀grandeur฀au฀moyen฀duquel฀le฀technicien฀peut฀déterminer฀la฀dimension฀ d’une฀ restriction฀ à฀ l’intérieur฀ de฀ la฀ vanne,฀connaissant฀les฀conditions฀de฀débit฀et฀ de฀ pression฀ et฀ ceci฀ pour฀ n’importe฀ quel฀ fluide฀(le฀Cv฀est฀proportionnel฀à฀la฀section฀ de฀passage฀entre฀le฀siège฀et฀le฀clapet). Emerson฀Process฀Management Masoneilan pour le process Par฀ailleurs,฀d’autres฀critères฀d’utilisation,฀ comme฀l’étanchéité,฀la฀précision฀du฀positionnement,฀la฀rangeabilité…฀font฀que฀certaines฀vannes฀seront฀plus฀ou฀moins฀adaptées฀ aux฀besoins… Ce฀n’est฀pas฀fini.฀Il฀convient฀ensuite฀de฀se฀ poser฀la฀question฀sur฀la฀qualité฀de฀la฀régulation.฀Quelle฀est฀la฀performance฀de฀la฀vanne฀ recherchée฀pour฀assurer฀la฀meilleure฀régulation฀possible฀?฀Cela฀dépend฀de฀ce฀qu’elle฀ fait.฀Dans฀les฀applications฀à฀valeur฀de฀consigne฀statique฀par฀exemple,฀la฀principale฀fonction฀de฀la฀boucle฀de฀régulation฀est฀de฀compenser฀ les฀ perturbations฀ de฀ charge฀ du฀ process.฀Ce฀n’est฀pas฀trop฀compliqué฀et฀il฀ n’est฀peut-être฀pas฀la฀peine฀d’investir฀dans฀la฀ “Rolls”฀des฀vannes.฀En฀revanche,฀s’il฀y฀a฀besoin฀ d’une฀ très฀ fine฀ régulation฀ sur฀ un฀➜ 51 Guide฀d’achat Bermad ➜ produit฀à฀haute฀valeur฀ajoutée,฀mieux฀ vaut฀s’assurer฀de฀la฀performance฀de฀la฀vanne.฀ Celle-ci฀se฀teste฀généralement฀dans฀les฀bancs฀ d’essai฀du฀fabricant฀par฀la฀mesure฀du฀déplacement฀en฀réponse฀aux฀modifications฀de฀ signal฀ d’entrée.฀ Elle฀ se฀ caractérise฀ par฀ de฀ nombreux฀facteurs,฀comme฀la฀bande฀morte,฀ le฀broutement,฀la฀vitesse฀de฀réponse,฀l’hystérésis,฀la฀linéarité… Linéaires ou rotatives Ayant฀ainsi฀une฀“bonne฀idée”฀du฀besoin,฀le฀ premier฀élément฀à฀considérer฀est฀le฀corps฀de฀ vanne.฀Puisque฀c’est฀lui฀qui฀est฀en฀contact฀ avec฀le฀process,฀c’est฀lui฀qui฀reçoit฀et฀subit฀ toutes฀ses฀influences.฀C’est฀aussi฀lui฀qui฀génère฀les฀frictions,฀les฀jeux฀mécaniques.฀C’est฀ là฀où฀les฀risques฀de฀fuites,฀voire฀de฀rupture,฀ sont฀les฀plus฀importants. Il฀existe฀-฀et฀sur฀ce฀point,฀les฀différents฀acteurs฀ sont฀d’accord฀-฀deux฀grandes฀familles฀de฀ vannes฀:฀les฀vannes฀droites฀(dites฀aussi฀vannes฀ globes฀ou฀vannes฀linéaires)฀et฀les฀vannes฀rotatives. Pour฀une฀vanne฀droite,฀l’ouverture/fermeture฀se฀fait฀par฀un฀mouvement฀linéaire฀d’une฀ tige฀de฀bas฀en฀haut. Des corps de vanne entortillés, pour détendre le fluide afin de minimiser la cavitation et le bruit. Pour฀une฀vanne฀rotative,฀l’ouverture฀se฀fait฀ par฀un฀mouvement฀rotatif฀du฀clapet฀de฀0฀à฀ 90฀°. Aujourd’hui,฀pratiquement฀tous฀les฀fournisseurs฀proposent฀les฀deux฀gammes฀de฀vannes฀ rotatives฀et฀linéaires.฀Au฀niveau฀mondial,฀les฀ vannes฀rotatives฀représentent฀environ฀30฀%฀ du฀marché฀de฀vannes.฀Elles฀sont฀en฀quelque฀ sorte฀à฀l’équilibre฀avec฀les฀vannes฀linéaires฀au฀ niveau฀européen.฀Pour฀le฀marché฀français,฀la฀ tendance฀est฀inversée฀;฀avec฀plus฀de฀70฀%฀environ฀pour฀les฀vannes฀rotatives.฀Les฀raisons฀ sont฀essentiellement฀historiques.฀La฀vanne฀ droite฀est฀née฀il฀y฀a฀environ฀130฀ans฀aux฀ Etats-Unis฀chez฀Fisher฀(actuellement฀Emerson฀ Process฀ Management฀ –฀ Fisher)฀ qui฀ est฀ restée฀ aujourd’hui฀encore฀le฀numéro฀1฀mondial฀de฀ la฀vanne฀droite.฀Les฀vannes฀rotatives฀à฀segment฀ sphérique฀ (une฀ portion฀ de฀ sphère฀ tourne฀pour฀réguler฀l’ouverture)฀ou฀les฀vannes฀à฀papillon฀(principe฀voisin฀du฀robinet)฀ ne฀sont฀guère฀moins฀anciennes.฀Mais฀dans฀ les฀années฀60,฀le฀Français฀Masoneilan฀marque฀ un฀pas฀important฀en฀développant฀la฀première฀ vanne฀ rotative฀ à฀ obturateur฀ excentré.฀ «฀L’obturateur฀qui฀n’est฀plus฀dans฀l’axe฀de฀rotation฀ créé฀un฀couple฀beaucoup฀plus฀important,฀explique฀ Stéphane฀Leledy,฀responsable฀marketing฀chez฀ Masoneilan.฀Ceci฀a฀permis฀de฀travailler฀sur฀des฀débits฀ plus฀forts.฀Surtout,฀l’obturateur฀excentré฀offre฀une฀ finesse฀de฀régulation฀beaucoup฀plus฀grande,฀meilleure฀ que฀1฀%.฀» Aujourd’hui,฀pour฀les฀défenseurs฀de฀la฀vanne฀ rotative,฀ celle-ci฀ a฀ pratiquement฀ tous฀ les฀ avantages฀:฀plus฀facile฀à฀installer,฀un฀meilleur฀ Cv,฀ une฀ plus฀ grande฀“rangeabilité”,฀ une฀ meilleure฀étanchéité฀au฀presse-étoupe.฀«฀Une฀ vanne฀rotative฀peut฀répondre฀pratiquement฀à฀toutes฀ les฀applications,฀estime฀Jean-Luc฀Drezet฀(Metso฀ Automation).฀ Les฀ vannes฀ linéaires฀ prennent฀➜ Dans฀chaque฀famille Vannes rotatives Type de vannes Type de vannes Applications - observations  A segment sphérique (ou demi-  Pour fluides visqueux, fibreux,  A simple siège (dit aussi vannes à clapet)  Bonne étanchéité à la fermeture - la poussée  A obturateur excentré  Forts débits  A double siège Constitué par deux clapets et par deux sièges vissés assez peu développé en Europe  Le principal avantage apporté au corps de vanne sphère) Une portion de sphère tourne pour réguler l’ouverture L’obturateur n’est pas dans l’axe de rotation pâteux, qui se figent… La demi-sphère sectionne les fibres à la fermeture et garantit l’étanchéité  Bonne finesse de régulation  Applications sur huiles, gaz… du liquide exerce une force importante sur le clapet, ce qui nécessite un actionneur puissant  Frottements importants au niveau du presse-étoupe  Risque de bouchage par des particules en suspension à simple siège concerne son équilibrage, c’est-à-dire la diminution de la force résultante due à la poussée du fluide sur le clapet donc utilisable pour des fortes différences de pression ฀Relativement cher (éléments mécaniques doublés)  A disque excentré (dites aussi vanne  Application gros diamètres et  A cage  Plus étudiées au fonctionnement avec de fortes ΔP Comprend un obturateur et une cage.  Pour applications très difficiles à hautes températures Le fluide arrive perpendiculairement et hautes pressions à la cage et passe par un espace déterminé par la position de l’obturateur (sorte de piston) à l’intérieur de la cage. En position basse, les trous situés à la partie inférieure de la cage sont obturés et réalisent ainsi l’étanchéité de la vanne à la fermeture  A sphère de régulation (dites aussi  Cas difficiles, fluides chargés avec  A membrane  Elle est utilisée dans le cas de fluides très chargés La section de passage est obtenue entre de particules solides, ou très corrosifs une membrane déformable en  Solution peu coûteuse caoutchouc synthétique généralement  Supprime les presse étoupes, d’où le risque de fuites et la partie inférieure du corps de vanne ventuelles. Bonne étanchéité à la fermeture  Précision de réglage médiocre  Caractéristique statique mal définie à papillon bien que ce terme soit plus usuellement employé pour les vannes Tout-Ou-Rien) boisseau sphérique bien que ce terme soit plus usuellement employé pour les vannes Tout-Ou-Rien) 52 Applications – observations Vannes linéaires (dites aussi vannes globes ou vannes droites) forts débits fort phénomène de cavitation. Le fluide suit le corps de la vanne (le chemin permet une meilleure détente du fluide) MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com Guide฀d’achat MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com 53 Guide฀d’achat Qui฀fait฀quoi฀? Fournisseurs Vanneslinéaires Simple siège ou à clapet Bermad  Bürkert Contromatic  Emerson Process Management  Flowserve  KSB AMRI  Masoneilan  Double siège Vannes rotatives A cage A segment sphérique En option   Samson  Tyco Valves and Controls  A disque excentré (ou à papillon) A sphère de régulation (ou boisseau sphérique)                  Metso Automation Gemü A obturateur excentré                    La liste des fournisseurs de vannes est très longue. Il existe dans ce domaine un grand nombre d’acteurs, parfois spécialisés sur tel ou tel type de vannes, parfois présents sur un seul secteur d’applications ou même localisés sur une seule région géographique. Ils peuvent être issus du domaine de la robinetterie, des équipements industriels ou encore du domaine de l’instrumentation ou du contrôle de process. Ne pouvant, dans notre guide d’achat, recenser tout le monde, nous nous sommes concentrés sur les acteurs les plus généralistes, présents dans les processus industriels classiques. ➜ l’avantage฀seulement฀pour฀les฀fortes฀pressions.฀»฀ En฀effet,฀à฀fortes฀pressions,฀le฀clapet฀équilibré฀ de฀la฀vanne฀linéaire฀permet฀de฀réduire฀la฀ taille฀et฀la฀puissance฀de฀l’actionneur.฀«฀Dès฀que฀ l’on฀est฀au-dessus฀de฀100฀bar,฀avec฀des฀risques฀de฀ cavitation฀(implosions฀de฀bulles฀de฀gaz฀dans฀les฀milieux฀liquides)฀ou฀de฀bruit฀(dans฀les฀milieux฀gazeux),฀nous฀proposons฀les฀vannes฀linéaires฀»,฀confirme฀Stéphane฀Leledy฀(Masoneilan). D’une฀manière฀générale,฀une฀vanne฀linéaire฀ est฀préconisée฀pour฀les฀cas฀difficiles฀:฀forte฀ température,฀forte฀pression,฀grande฀différence฀de฀pression.฀Pour฀le฀pionnier฀de฀la฀ vanne฀droite,฀celle-ci฀est฀toujours฀plus฀performante฀que฀la฀vanne฀rotative.฀Christophe฀ Levêque,฀responsable฀produits฀vannes฀chez฀ Emerson฀ Process฀ Management฀ (Fisher)฀ avance฀ deux฀principaux฀arguments.฀Le฀premier฀argument฀est฀mécanique฀:฀«฀Une฀vanne฀droite,฀par฀ sa฀construction,฀induit฀beaucoup฀moins฀de฀jeux฀mécaniques฀et฀de฀frictions.฀La฀vanne฀s’use฀moins,฀se฀ dérègle฀moins…฀».฀L’autre฀argument฀est฀lié฀à฀ la฀caractéristique฀intrinsèque฀de฀débit.฀On฀ distingue฀essentiellement฀deux฀types฀:฀la฀loi฀ “intrinsèque฀linéaire”฀(le฀débit฀évolue฀linéairement฀en฀fonction฀du฀signal.฀Des฀accroissements฀égaux฀du฀signal฀vanne฀provoquent฀ des฀accroissements฀égaux฀de฀débit.฀La฀caractéristique฀ est฀ donc฀ une฀ droite.)฀ et฀ la฀ loi฀ “égale฀pourcentage”฀(la฀caractéristique฀est฀ Maudite cavitation Sur les liquides, lorsque la pression statique dans la veine fluide décroît, un phénomène de cavitation apparaît (formation de petites bulles de vapeur au sein du fluide). Quand la pression statique s’accroît à nouveau (diminution de la vitesse par élargissement de la veine fluide), les bulles de vapeur se condensent et implosent. Ce phénomène de cavitation présente quelques inconvénients : - Bruit d’un niveau sonore inacceptable très caractéristique car semblable 54 à celui que provoqueraient des cailloux circulant dans la tuyauterie ; - Des vibrations à des fréquences élevées ayant pour effet de desserrer toute la boulonnerie de la vanne et de ses accessoires ; - Une destruction du clapet, du siège, du corps, par enlèvement de particules métalliques ; - Le débit traversant la vanne n’est plus proportionnel à la commande. Pour éviter tous ses déboires, les constructeurs ont développé des dispositifs antibruit. une฀exponentielle.฀Des฀accroissements฀égaux฀ du฀signal฀vanne฀provoquent฀des฀accroissements฀égaux฀de฀débits฀relatifs). Généralement,฀une฀vanne฀rotative฀suit฀une฀ loi฀“intrinsèque฀linéaire”฀et฀une฀vanne฀linéaire฀une฀loi฀“égale฀pourcentage”.฀«฀Le฀process฀ lui-même฀ n’est฀ pas฀ linéaire,฀ explique฀ Christophe฀ Levêque฀ (Emerson฀ Process฀ Management฀–฀Fisher).฀Il฀faut฀donc,฀avec฀une฀vanne฀ rotative,฀au฀niveau฀de฀la฀régulation฀faire฀varier฀le฀ gain฀en฀fonction฀des฀caractéristiques฀différentes฀de฀ débit฀de฀la฀vanne฀et฀du฀process.฀Une฀vanne฀linéaire฀ permet฀ de฀ minimiser฀ les฀ erreurs฀ au฀ niveau฀ du฀ gain.฀» Autre฀avantage฀encore,฀une฀vanne฀linéaire฀est฀ beaucoup฀moins฀sensible฀au฀phénomène฀de฀ cavitation฀ ou฀ de฀ bruit.฀ En฀ revanche,฀ une฀ vanne฀linéaire฀aura฀tendance฀à฀récupérer฀les฀ particules฀solides฀dans฀son฀guide.฀Elle฀est฀ donc฀plus฀sensible฀aux฀bouchages,฀à฀l’encrassement… Mais,฀là฀encore,฀tous฀ses฀avantages฀et฀inconvénients฀ont฀pu฀être฀palliés฀par฀des฀développements฀spécifiques฀à฀chaque฀constructeur.฀ Il฀est฀donc฀impossible฀de฀fixer฀des฀règles฀ précises. Le servomoteur : “vaincre la pression” Vient฀ensuite฀le฀servomoteur,฀l’organe฀actionnant฀la฀tige฀de฀la฀vanne.฀L’effort฀développé฀par฀le฀servomoteur฀à฀deux฀buts.฀Le฀ premier฀:฀lutter฀contre฀la฀pression฀agissant฀sur฀ MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com le฀clapet.฀Le฀second฀:฀assurer฀l’étanchéité฀de฀ la฀vanne.฀Dans฀la฀grande฀majorité฀des฀applications,฀on฀utilise฀un฀servomoteur฀pneumatique฀simple฀effet฀:฀de฀l’air฀est฀envoyé,฀par฀ une฀seule฀entrée,฀sur฀le฀ressort฀de฀manière฀à฀ maintenir฀l’équilibre฀souhaité.฀Pour฀des฀fortes฀ pressions฀et฀afin฀de฀limiter฀la฀taille฀du฀servomoteur,฀on฀en฀choisit฀un฀à฀double฀effet.฀Dans฀ ce฀cas-là,฀l’air฀est฀envoyé฀par฀deux฀côtés฀simultanément฀pour฀doubler฀la฀réaction฀mécanique฀ du฀ ressort.฀ «฀Ceux-ci฀ sont฀ très฀ peu฀ utilisés฀en฀Europe,฀souligne฀Stéphane฀Leledy฀ (Masoneilan).฀Il฀n’y฀a฀pas฀de฀véritable฀raison฀technique.฀Il฀s’agit฀plutôt฀d’une฀question฀d’habitude.฀»฀ Un฀article฀publié฀par฀un฀ingénieur฀de฀chez฀ Metso฀Automation฀relève฀cependant฀que฀les฀ actionneurs฀à฀double฀effet฀ont฀tendance฀à฀se฀ montrer฀plus฀raides฀et฀par฀conséquent฀moins฀ affectés฀par฀le฀facteur฀de฀charge฀(c’est-à-dire฀ le฀couple฀ou฀la฀force฀nécessaire฀à฀l’actionneur฀rapporté฀à฀son฀couple฀ou฀sa฀force฀de฀ sortie)฀que฀ceux฀à฀simple฀effet.฀«฀Un฀servomoteur฀à฀double฀effet฀génère฀dans฀certains฀cas฀une฀ hystérésis฀plus฀importante฀»,฀précise฀toutefois฀ Christophe฀ Levêque฀ (Emerson฀ Process฀ Management฀–฀Fisher). Metso฀Automation Guide฀d’achat Positionneurs numériques ou analogiques Enfin,฀le฀troisième฀élément฀principal฀d’une฀ vanne฀est฀le฀positionneur฀dont฀la฀fonction฀de฀ base฀est฀de฀garantir฀la฀position฀correcte฀de฀ l’obturateur฀par฀rapport฀au฀siège฀pour฀un฀ signal฀de฀commande฀donné.฀C’est฀l’élément฀ qui,฀ces฀dernières฀années,฀a฀connu฀le฀plus฀ d’évolutions,฀avec฀notamment฀le฀développement฀des฀positionneurs฀numériques.฀Mais฀ attention฀!฀Depuis฀le฀temps฀que฀l’on฀parle฀de฀ positionneurs฀numériques฀(c’est-à-dire฀depuis฀le฀début฀des฀années฀90),฀on฀pourrait฀ croire฀que฀les฀positionneurs฀analogiques฀ont฀ MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com Les positionneurs numériques offrent aux vannes toutes les possibilités de communication, de configuration, de réglage à distance... et aussi la surveillance continue des vannes, pour une maintenance prédictive. totalement฀disparu.฀C’est฀faux.฀Là฀encore,฀ suivant฀l’histoire฀du฀fabricant,฀certains฀proposent฀préférentiellement฀les฀positionneurs฀ analogiques.฀Parmi฀ceux-ci,฀on฀distingue฀les฀ positionneurs฀pneumatiques,฀alimentés฀par฀ de฀l’air฀et฀les฀positionneurs฀électropneumatiques฀alimentés฀par฀un฀signal฀électrique,฀le฀ plus฀souvent฀en฀4-20฀mA.฀Les฀premiers฀ne฀ représentent฀ plus฀ qu’un฀ pourcentage฀ du฀ marché฀mais฀ils฀ont฀encore฀leurs฀adeptes,฀ ceux฀qui฀ne฀veulent฀pas฀ajouter฀à฀la฀facture฀ le฀coût฀d’un฀câblage฀électrique.฀Ceux฀aussi฀ qui฀ont฀des฀applications฀sur฀des฀sites฀très฀ isolés฀choisiront฀un฀positionneur฀pneumatique฀pour฀ne฀pas฀avoir฀à฀“tirer฀des฀fils”.฀Les฀ positionneurs฀électropneumatiques฀quant฀à฀ eux฀représentent฀encore฀la฀part฀la฀plus฀importante฀du฀marché.฀Ils฀intéressent฀tous฀ceux฀ qui฀n’ont฀pas฀encore฀pris฀le฀virage฀du฀numérique,฀pour฀des฀questions฀économiques,฀de฀ confiance,฀de฀compétences.฀«฀Sans฀composants฀ électroniques,฀les฀risques฀de฀pannes฀sont฀moins฀importants,฀ reconnaît฀ Stéphane฀ Leledy฀ (Masoneilan).฀Avec฀des฀positionneurs฀analogiques,฀ les฀ industriels฀ recherchent฀ la฀ fiabilité฀».฀ Par฀ ailleurs,฀beaucoup฀n’ont฀ni฀le฀temps฀ni฀les฀ ressources฀humaines฀nécessaires฀pour฀mettre฀ à฀profit฀les฀informations฀apportées฀par฀les฀ positionneurs฀numériques. L’autodiagnostic comme leitmotiv Même฀si฀le฀marché฀des฀positionneurs฀numériques฀reste฀encore฀sous฀la฀barre฀des฀50฀%,฀ c’est฀lui฀qui฀évolue฀le฀plus฀fortement฀et฀d’une฀ manière฀inéluctable. Tout฀d’abord฀et฀surtout฀pour฀des฀raisons฀de฀ performance฀de฀régulation.฀Le฀réglage฀effectué฀par฀la฀vanne฀est฀plus฀précis฀du฀fait฀d’un฀ asservissement฀à฀l’aide฀d’un฀capteur฀de฀position฀et฀de฀calcul,฀selon฀un฀algorithme฀numérique,฀de฀l’action฀nécessaire฀sur฀le฀servomoteur฀de฀vanne. Dans฀un฀positionneur฀analogique,฀tous฀les฀ éléments฀ mécaniques฀ (ressort,฀ soufflet,฀ membranes,฀tige…)฀sont฀susceptibles฀de฀ bouger฀et฀de฀perturber฀le฀mécanisme.฀«฀Il฀est฀ réglé฀en฀sortie฀d’usine฀dans฀un฀atelier฀à฀20฀°C,฀mais,฀ entre฀le฀transport฀et฀l’installation฀dans฀des฀conditions฀ thermiques฀totalement฀différentes,฀le฀positionneur฀ est฀la฀plupart฀du฀temps฀déjà฀déréglé฀avant฀même฀sa฀ mise฀ en฀ fonctionnement฀»,฀ explique฀➜ 55 Guide฀d’achat Aperçu฀de฀l’offre Fournisseur Nom de la série Type de vannes Pression de service Température Diamètres de service de conduite Observations Particularités Applications Bermad 700/800 Vanne linéaire simple siège ou à clapet Jusqu’à 40 bar Jusqu’à 80 °C (option 120 °C) DN 40 à 900 Vannes automotrices pilotées Adduction d’eau potable, protection incendie, industrie pétrolière, process industriels Bürkert Type 2702 Vanne linéaire à siège incliné Jusqu’à 16 bar Jusqu’à 180 °C DN 13 à 65 Débit élevé, longue durée de vie, conception compacte, anticoup de bélier Particulièrement pour la vapeur, grande modularité pour le montage des accessoires Type 2712 Vanne linéaire à simple siège Jusqu’à 16 bar Jusqu’à 180 °C DN 04 à 100 Siège interchangeable 3 à 5 valeurs de Cv par raccordement Agroalimentaire CIP/SIP et process auxiliaire avec vapeur, eau froide et glycolé, machine pour le textile et teinture, échangeur chaud et autoclave, stérilisateur et laveuse, appareil de distillation Type 2731 Vanne linéaire à membrane en Inox Jusqu’à 10 bar Jusqu’à 130 °C DN 15 à 100 Corps universel, membrane de séparation, sans volume mort Génie hydraulique, traitement des eaux usées, ingénierie des effluents, industrie de la mécanique générale Modèle GX Vanne linéaire simple siège Jusqu’à 50 bar Jusqu’à 371 °C DN 15 à DN 150 Corps acier, inox, hastelloy, matériaux exotiques sur demande Application ‘’générale’’, vapeur, air, eau possibilité de cage antibruit Modèle VeeBall Vanne rotative à boisseau sphérique Jusqu’à 50 bar Jusqu’à 427 °C DN 25 à DN 400 Rangeabilité 1:300, corps acier, inox, possibilité de Cv important, entre-face normalisée et standard aux vannes rotatives Air, eau, pâte à papier, fluide visqueux ou chargé, possibilité de dispositif antibruit et anticavitation Modèle Easy e Vanne linéaire à cage Jusqu’à 420 bar Jusqu’à 593 °C DN 15 à DN 600 Corps acier, inox, matériaux exotiques Air, eau, vapeur, forte perte de charge, possibilité de dispositif antibruit et anticavitation Flowserve MaxFlo 3 Vanne rotative à obturateur excentré Jusqu’à 40 bar Jusqu’à 400 °C DN 25 à 200 Arbre non-traversant, rangeabilité pouvant atteindre 160:1, système antiéjection intégral Toute application process Gemü Série 600 Vanne linéaire à membrane De 0 à 10 bar De -10 à 180 °C DN 4 à DN 300 Membrane en métal, passage direct (2/2 voies), vanne en T, vanne de fond de cuve Produits ultra-purs jusqu’à très chargés, liquides ou gazeux Série 400 Vanne rotative à papillon Jusqu’à 50 bar De -20 à 600 °C DN 15 à DN 2 000 Construction compacte en plastique et métal Pour fluides propres, liquides et gaz neutres ou agressifs Série 700 Vanne rotative à boisseau sphérique Jusqu’à 63 bar De -20 à 600 °C DN 6 à DN 100 Hautes températures et pression valeurs Cv faibles, faibles fréquences de manœuvre Pour fluides propres, liquides et gaz neutres ou agressifs, vapeurs CAMFLEX II Série 35002 Vanne rotative à obturateur excentré Jusqu’à 100 bar De -196 à 400 °C DN 25 à 250 Etanchéité classe VI, arbre cannelé pour un meilleur accouplement, presse-étoupe à faible émission fugitive, positionneur directement monté en bout d’arbre Choix des matériaux et options pour toute application, fluide corrosif ou érosif, service cryogénique, enveloppe de réchauffe Série 41005 Vanne linéaire à cage Jusqu’à 420 bar De -196 à 566 °C DN 50 à 600 Conception équilibrée pour actionneurs petits, clapets pilotes, dispositifs antibruit ou anticavitations à un ou plusieurs étages de détente, dispositif VRT à écoulement axial tortueux Choix des matériaux, plusieurs types de segment d’étanchéité, application avec fortes pressions différentielles, à très hautes et très basses températures Lincolnlog Série 78400 Vanne linéaire multi-étagée à écoulement axial et tortueux Jusqu’à 420 bar De -29 à 316 °C DN 25 à 300 Dispositifs anticavitations multiétagés à écoulement axial et tortueux, guidage par cage, petit actionneur, protection du clapet à l’ouverture Pour application très difficile à fortes pressions différentielles, choix des matériaux, y compris exotiques, choix des raccordements (brides, à souder…) Série R Vanne rotative à segment sphérique 20 à 50 bar (PN) De -40 à 250 °C DN 25 à 50 Peut remplacer 2 vannes linéaires, longue durée de vie - matériaux CF8M - WCC, sécurité feu, étanchéité classe IV (V) Toute application process (exemple : contrôle de chaudières fuel ou gaz) Emerson Process Management - Fisher Masoneilan Metso Automation 56 MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com Guide฀d’achat MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com 57 Guide฀d’achat Aperçu฀de฀l’offre฀(suite) Fournisseur Nom de la série Type de vannes Pression de service Température Diamètres de service de conduite Observations Particularités Applications Metso Automation Finetrol Vanne rotative à obturateur excentré 20 à 100 bar (PN) De -196 à 400 °C DN 25 à 250 Etanchéité classe IV, pas de fuite au presse-étoupe pendant 4 ans Toute application process (exemple : ultra low sulphur gasoline) Neldisc Vanne rotative à disque excentré 20 à 100 bar (PN) -196 à 400 °C Construction triple excentrée, siège flexible indépendant de la pression Toute application process PN 10 à 400 De -250 à 550 °C DN 15 à DN 400 Vannes pneumatiques, électriques à passage droit, 3 voies et à passage équerre Régulation et commande des procédés DN 75 à 2 000 Samson Série 240, 250, 280 Tyco Valves and Controls Vanessa Vannes rotatives PN 10 à 200 De -254 à 815 °C DN 80 à 200 Conception métallique, dispositif antibruit Application gaz, pétrole, chimie, offshore Descote Vannes linéaires PN 150 à 4 500 De -196 à 650 °C DN 50 à 600 Dispositif antiémission fugitive, double enveloppe Application gaz, pétrole, chimie, offshore, application dangereuse (chlore, HF…) Offre฀non-exhaustive ➜ Christophe฀ Levêque฀ (Emerson฀ Process฀ Management฀–฀Fisher).฀Pour฀les฀positionneurs฀numériques,฀il฀y฀a฀beaucoup฀moins฀de฀pièces฀mécaniques฀et฀des฀composants฀électroniques฀permettant฀de฀ compenser฀les฀dérives.฀»฀Capteur฀de฀position฀à฀ effet฀Hall฀sans฀contact,฀algorithme฀numérique฀évolué,฀contrôle฀du฀débit฀d’air฀dans฀le฀ positionneur,฀de฀génération฀en฀génération,฀ le฀ positionneur฀ numérique฀ progresse฀ en฀ performance฀et฀fiabilité.฀L’autre฀apport฀du฀ numérique฀est,฀comme฀on฀dit,฀l’intelligence.฀ Un฀positionneur฀de฀vanne฀est฀dit฀“intelli- gent”฀lorsqu’il฀communique฀sur฀des฀bus฀de฀ terrain฀mais฀aussi,฀plus฀communément,฀via฀ le฀protocole฀Hart.฀«฀Il฀est฀facile,฀en฀termes฀d’installation,฀de฀passer฀d’un฀positionneur฀électropneumatique฀sur฀4-20฀mA฀à฀un฀positionneur฀numérique฀ 4-20฀mA฀(Hart)฀»,฀précise฀Stéphane฀Leledy฀ (Masoneilan). Cette฀communication฀ouvre฀ainsi฀les฀portes฀ des฀autoréglages,฀auto-étalonnages,฀autovérifications,฀autodiagnostics฀:฀le฀grand฀leitmotiv฀des฀fournisseurs.฀En฀cas฀de฀panne฀d’un฀de฀ ses฀composants,฀le฀positionneur฀indique฀lui- Les servomoteurs Servomoteur pneumatique (la฀mise฀en฀mouvement฀de฀la฀vanne฀est฀assurée฀par฀ un฀circuit฀d’air)  Simple ressort de rappel Simple effet : l’air est envoyé, par une seule entrée, sur le ressort de manière à maintenir l’équilibre souhaité Double effet : deux arrivées d’air sur le ressort doublent la force exercée sur le ressort, limitant ainsi la taille de l’actionneur  Multiressort de rappel Plusieurs ressorts peuvent remplacer un seul. Gain de compacité. Pour les fortes pressions  A membrane classique : la section n’est pas constante  A membrane déroulante : la section est constante - garantie d’une régulation plus fine - surtout utilisée pour les vannes rotatives Servomoteur hydraulique (la฀mise฀en฀mouvement฀de฀la฀vanne฀est฀assurée฀par฀ un฀circuit฀d’eau)฀ Pour les gros diamètres ou lorsqu’il faut des forces très importantes. Servomoteur électrique (la฀mise฀en฀mouvement฀de฀la฀vanne฀est฀assurée฀par฀une฀ force฀électrique) Le servomoteur ou actionneur est l’élément qui assure la conversion du signal de commande en mouvement de la vanne. Le servomoteur pneumatique est, de loin, le plus utilisé. 58 même฀quel฀est฀son฀composant฀défectueux.฀ Suivi฀statistique฀des฀paramètres,฀test฀avec฀visualisation฀graphique฀de฀ses฀performances฀ statiques฀ou฀dynamiques฀(exemple฀:฀hystérésis,฀ temps฀ de฀ réponse,฀ tests฀ de฀ signature…),฀les฀fournisseurs฀sont฀intarissables฀ sur฀le฀sujet. Des versions simplifiées Pourtant,฀cette฀maintenance฀prédictive฀a฀du฀ mal฀à฀se฀mettre฀en฀place.฀Les฀industriels,฀de฀ plus฀en฀plus฀pressés,฀n’ont฀pas฀toujours฀le฀ temps฀de฀se฀pencher฀sur฀ce฀flot฀de฀données฀ qui฀arrive฀pratiquement฀en฀continu. Après฀avoir฀donc฀développé฀des฀positionneurs฀numériques฀“luxueux”,฀avec฀tous฀les฀ autodiagnostics฀possibles฀et฀imaginables,฀les฀ fabricants฀développent฀aussi฀des฀versions฀ plus฀simples. Afin฀de฀répondre฀avant฀tout฀à฀la฀fonction฀ première฀d’une฀vanne฀qui฀est฀d’assurer฀une฀ bonne฀régulation,฀«฀on฀s’aperçoit฀que฀les฀qualités฀de฀précision฀du฀positionneur฀numérique฀sont฀ l’argument฀auquel฀l’industriel฀est฀le฀plus฀sensible฀»,฀ souligne฀Stéphane฀Leledy฀(Masoneilan).฀Le฀ prix฀suit฀également.฀Il฀n’y฀a฀plus฀vraiment฀de฀ bonne฀ raison฀ pour฀ rester฀ en฀ analogique.฀ Certes,฀un฀positionneur฀numérique฀reste฀un฀ peu฀plus฀cher฀mais฀on฀n’est฀plus฀dans฀un฀ rapport฀du฀simple฀au฀double,฀comme฀il฀y฀a฀ quelques฀années. Marie-Pierre Vivarat-Perrin Pour฀en฀savoir฀plus Le฀sujet฀de฀la฀maintenance฀prédictive฀des฀vannes฀ de฀régulation฀a฀été฀développé฀dans฀un฀article฀publié฀ dans฀Mesures฀n°฀783฀–฀mars฀2006฀–฀«฀La฀vanne฀ de฀régulation,฀un฀élément฀qui฀doit฀rester฀à฀la฀hauteur฀ de฀sa฀fonction฀».฀Cet฀article฀est฀disponible฀sur฀ www.mesures.com฀dans฀la฀rubrique฀Archives. MESURES฀805฀-฀MAI฀2008฀-฀www.mesures.com