LES APPAREILS DE ROBINETTERIE
IUT Paul Sabatier Département Génie Chimique – Génie des Procédés 133, Av. de Rangueil 31077 Toulouse Cedex 4 Tél : 05 62 25 87 99 Fax : 05 62 25 88 91
Maria-Julia Dinis-K/ourio
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SOMMAIRE
Chapitre I : Les appareils de robinetterie 1- Définition p. 3 2- Classification p. 3 Chapitre II: Les robinets 1- Définition p. 4 2- Fonction p. 4 3- Classement des robinets p.4 4- Description des robinets p.5 4.1- Robinet vanne p.5 4.2- Robinet à soupape p.8 4.3- Robinet à tournant p.11 4.4- Robinet à papillon p.13 4.5- Robinet à piston p.14 Chapitre III: L’étanchéité des robinets 1- Etanchéité interne p.15 2- Etanchéité vers l’extérieur p.15 2.1- Presse étoupe p.16 Chapitre IV: Caractéristiques des robinets 1- Coefficient de débit p.17 2- Caractéristique de débit p. 21 3- Critères de sélection p.22 Chapitre V: Ecoulement critique 1- Fluides incompressibles p.23 1.1- cavitation p. 23 1.2- Choc hydraulique ou coup de bélier p. 25 2- Fluides compressibles p. 27 Chapitre VI: Les clapets et soupapes de sûreté 1- Les clapets p.28 2- Les soupapes de sûreté p.30 3- Les disques de rupture p.31 Chapitre VII: Appareils accessoires 1- Les détendeurs p.33 2- Les séparateurs p.34 3- Compensateurs de dilatation p.35 Exemple d’un montage de robinetterie p. 36 Normalisation p. 37 Bibliographie p. 37
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Chapitre I : Généralités
1- Définition Sous le nom de robinetterie sont désignés l’ensemble des appareils montés sur une capacité contenant un fluide (tuyauterie, réservoir, etc..) Ces appareils permettent de modifier, de maintenir ou d’interrompre la circulation d’un fluide, ils indiquent aussi certaines caractéristiques de ce fluide (débit, pression, niveau, température..) 2- Classification Les appareils de robinetterie son classés de la façon suivante : -
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Appareils type : l’obturateur est l’organe principal et donne le nom à l’appareil, on distingue : les robinets, les vannes automatiques, les clapets de retenue, les soupapes de sûreté. Appareils accessoires : ici on les désigne par leur fonction : les séparateurs, les éjecteurs, les indicateurs, les purgeurs.
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Chapitre II : Les robinets
1- Définition : Un robinet est un appareil à obturateur commandé de l’extérieur, il est constitué d’une enveloppe, d’un obturateur, d’un système d’étanchéité et d’un dispositif de manœuvre. 2- Fonctions : Les fonctions à assurer par le robinet sont : a- isolement : dans ce cas deux positions de l’obturateur sont essentielles : - position fermée (l’importance est donnée au niveau de l’étancheité interne) - position ouverte (l’importance est donnée à la section de passage offerte au fluide, on recherche la perte de charge minimale) b- réglage : dans ce cas l’intérêt se porte essentiellement sur les positions intermédiaires de l’obturateur (entre position fermée et position ouverte)
3- Classement des robinets Le classement le plus usuel des robinets est donné par le déplacement de l’obturateur par rapport au siège. Selon ce classement on distingue cinq familles de robinets : Robinet à vanne ou à opercule : l’obturateur appelé vanne se déplace en translation parallèlement au siège. Robinet à soupape : l’obturateur perpendiculairement au siège.
appelé
soupape
se
déplace
en
translation
Robinet à tournant : l’obturateur appelé tournant se déplace par rotation par rapport à l’axe du siège. Robinet à papillon : : l’obturateur appelé papillon se déplace par rotation autour de l’axe parallèle au siège. Robinet à piston : : l’obturateur appelé piston se déplace par translation suivant son axe dans un corps cylindrique.
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4- Description des robinets 4 4.1-Robinet à vanne ou robinet à opercule On trouve des robinets vannes à sièges obliques et à sièges parallèles. La tige de manœuvre de l’obturateur peut être : - à filetage intérieur, une partie de la tige est soumise à la corrosion du fluide. - à filetage extérieur, dans ce cas la tige de manœuvre est hors fluide.
Sièges obliques et commande de l’obturateur par tige à filetage intérieur
Sièges parallèles et commande de l’obturateur par tige à filetage extérieur
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Dans les robinets vanne le fluide s’écoule sans subir de déviation à travers une ouverture dont la section est pratiquement égale à celle de la canalisation, la perte de charge créée par ce robinet est faible.
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4.1.1-Vannes à sièges obliques L’étanchéité est obtenue par coincement de l’opercule entre les portées d’étancheité (siège) obliques du corps. La forme conique de l’opercule évite le glissement relatif des portées d’étanchéité lors des manœuvres, ce qui permet de minimiser l’usure des portées. Pour garantir une bonne étanchéité dans les vannes à opercule monobloc, une grande précision d’usinage est nécessaire. Comme l’obturateur est massif il s’adapte mal aux déformations du corps, il ne convient pas aux utilisations à température élevée ou fluctuante ni à celles présentant des déformations importantes du corps (forte pression). Dans la vanne à double opercule l’obturateur est constitué de deux éléments appuyés l’un contre l’autre. L’articulation entre les deux éléments et leur flexibilité permette une variation angulaire des portées d’étanchéité (ils s’accommodent mieux aux déformations). Il est de même avec l’opercule élastique.
opercule monobloc
opercule élastique
double opercule
4.1.2- Vannes à sièges parallèles Les disques de l’opercule frottent pendant la totalité de la course sur les sièges. Il est donc nécessaire de prévoir un choix de matériaux adaptés (Stellite le plus souvent) pour les portées d’étanchéité (siège), afin d’éviter une usure prématurée. Les vannes de ce type sont peu sensibles aux déformations thermiques ou de pression, et leur entretien est aisé.
opercule à libre dilatation
opercule à dispositif de blocage à coin central
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4.1.3- Avantages et inconvénients des robinets vanne Avantages : - Bonne adaptation à la fonction d’isolement - peu de perte de charge - bonne étanchéité - facilité de manœuvre Inconvénients : - encombrement important - inadapté aux réglages - ne convient pas aux fluides chargés - inadaptée aux manœuvres fréquentes
4.2-
Robinets à soupape
On peut distinguer différents types de robinet à soupape : a- robinet droit à siège plan ou conique : ce robinet provoque un changement important de direction de la veine fluide, ce qui entraîne une forte perte de charge.
Robinet droit
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b- robinet incliné : pour ce robinet la perte de charge est plus faible car il oppose une moindre résistance au passage du fluide. L’écoulement est plus régulier et plus rapide car les filets du fluide ne sont pas brisés.
Robinet incliné
c- robinet à soupape équilibré : l’équilibrage permet de réduire la taille de l’obturateur ainsi que l’effort de manœuvre.
Robinet équilibré
d- Robinet à pointeau ou à aiguille : l’obturateur est de forme allongée, il permet un réglage fin du débit de fluide. Ce type de robinet n’existe qu’en petits diamètres.
Robinet à pointeau
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4.2.1- Autres types de robinet à soupape : -
de robinet fond cuve (l’ouverture se fait dans le corps), permet de casser la croûte formée par les particules déposées au fond des cuves.
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robinet à membrane. L’obturateur est une membrane déformable surmonté d’un sabot. L’étanchéité se fait par appui de la membrane sur le corps, la membrane isole le mécanisme de manœuvre du fluide. Employé pour des températures et pressions faibles (ne pouvant dépasser 10 bars et 120 °C). Bonne tenue à la corrosion. Recommandé pour des liquides entraînant une granulosité supérieure à 0.2 mm (boues, sable, grain de minerais etc. …)
à passage direct
à passage semi-direct
Normalement les robinets à soupape sont utilisés avec l’arrivée du fluide sous l‘obturateur (clapet). Ceci permet d’éviter que les garnitures d’étanchéité au niveau de la tige de manœuvre soient sous pression lorsque le robinet est fermé. Evite aussi le battement de l’obturateur prés de la fermeture. Pour les grands diamètres et les hautes pressions l’obturateur est guidé dans le corps. Les robinets à soupape sont très utilisés comme robinets de réglage.
4.2.2- Avantages et inconvénients des robinets à soupape Avantages : - Bonne adaptation au réglage (possibilité d’obtenir les caractéristiques de débit désirées) - bonne étanchéité possible - permet des manœuvres fréquentes - permet de créer des fortes pertes de charge (réglage) - robuste, simple d’entretien Inconvénients : - encombrement important - facilité de manœuvre médiocre - ne convient pas aux fluides chargés - pertes de charge importantes pour le robinet droit
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4.3- Robinets à tournant
L’obturateur (tournant) comporte un passage orientable par rotation autour d’un axe orthogonal à l’axe d’écoulement du fluide. La forme du tournant peut être :
cylindrique
conique
sphérique
La fixation des tournants cylindriques et coniques peut se faire de deux façons : -
à boisseau défoncé : le tournant est maintenu en place par un écrou placé sous la partie inférieure du corps
-
à boisseau foncé : le tournant est maintenu en place par une tête boulonnée sur la partie supérieure du corps.
Souvent l’extrémité du tournant est usinée en carré pour permettre l’insertion d’une clé de manœuvre.
Clé de manœuvre
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Robinet à tournant à deux et trois voies
Robinet à tournant trois voies :
Ouvert
Fermé
4.3.1-Avantages et inconvénients des robinets à tournant Avantages : - manœuvre simple et rapide (1/4 de tour) - bonne étanchéité - peu de perte de charge - encombrement réduit - robinet d’arrêt (tout ou rien) Inconvénients : - ne convient pas pour le réglage
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4.4- Robinets à papillon L’obturateur est constitué d’un disque mobile se déplaçant dans le fluide par rotation autour d’un axe orthogonal à l’axe d’écoulement du fluide. La commande de l’obturateur se fait manuellement à l’aide d’une clé ou à l’aide d’une roue et vis sans fin ou automatiquement. Ce robinet est utilisé comme robinet de sectionnement pour les petits diamètres et comme robinet de réglage pour les diamètres plus importants.
Robinets à papillon avec démultiplicateur
Les gros diamètres nécessitent d’un système démultiplicateur d’efforts pour manœuvrer l’obturateur.
4.4.1- Avantages et inconvénients des robinets à papillon Avantages : -
encombrement et poids réduit simplicité (peu de pièces constitutives) prix de revient faible, surtout pour les grands diamètres très bonne étanchéité faible perte de charge aptitude au réglage pour les grands diamètres
Inconvénients : -
pas de passage intégral n’est pas adapté pour le fonctionnement à forte pression différentielle (au-delà de 40 bars environ)
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4.5- Robinets à piston Le sectionnement est obtenu par un piston se déplaçant dans une lanterne entre deux bagues d’étanchéité. La bague supérieure assure l’étanchéité vers l’extérieure et la bague inférieure l’étancheité en ligne. La perte de charge qu’il provoque est importante, de ce fait il est utilisé comme robinet de réglage. Il peut être utilisé pour des pressions et températures élevées (300 bars, 350 °C).
4.5.1- Avantages et inconvénients des robinets à piston Avantages : - très bonne tenue à la température - Très bonne étanchéité Inconvénients : - encombrement important - facilité de manœuvre médiocre - pertes de charge importantes - entretien onéreux
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Chapitre III: l’étanchéité dans les robinets
Lorsque la paroi d’une enceinte est traversée par une pièce en mouvement et qu’il existe une différence de pression entre les deux faces de cette paroi, il se crée une fuite à travers l’espace libre (jeu) entre les deux pièces. Pour réaliser l’étanchéité on à intérêt à combler le jeu à l’aide d’un système ne faisant pas d’obstacle au mouvement. Dans un robinet, on peu considérer deux types d’étanchéité : -
l’étanchéité interne, au niveau de l’obturateur l’étanchéité vers l’extérieur, au niveau de la sortie de la tige de commande et au niveau des liaisons avec la tuyauterie.
1- Etanchéité interne L’étanchéité est assurée entre l’obturateur et le siège à la fermeture du robinet. Les robinets d’isolement (tout ou rien) doivent assurer une bonne étanchéité interne. Par contre les robinets de réglage ne possèdent pas toujours une étanchéité interne parfaite. 2- Etanchéité vers l’extérieur Deux types d’étanchéité vers l’extérieur sont à distinguer dans un robinet : - les joints de brides et de couvercles, qui constituent des étanchéités statiques ; - les joints sur tiges (presse-étoupe), qui constituent des étanchéités dynamiques. 2.1- Etanchéité statique Elle consiste à serrer un joint entre les faces d’appui de deux pièces fixes. Lors du serrage, le joint subit dans un premier temps une déformation élastique et permanente, ce qui lui permet de s’adapter parfaitement aux défauts superficiels des faces d’appui, puis d’un deuxième temps, il est mis sous contrainte pour obtenir l’étanchéité. 2.2- Etanchéité dynamique La commande de l’obturateur s’effectue par trois sortes de mouvements : - mouvement circulaire (tige tournante) - mouvement linéaire (tige montante) - mouvement hélicoïdal (tige montante et tournante) Nous considérerons ici seulement l’étanchéité entre la tige de commande de l’obturateur et l’extérieur. Plusieurs dispositifs d’étanchéité pour des robinets existent. Le plus couramment utilisé est le presse étoupe.
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Jeu entre le corps du robinet et la tige
2.2.1- Presse étoupe Le principe est d’interposer entre les pièces à étancher un matériau tendre épousant les aspérités des surfaces et réduisant ainsi l’espace libre entre elles. Il est constitué : -
d’une garniture souple d’une boîte à garniture traversée par la tige mobile. d’un fouloir ou presse dont le rôle est de comprimer la garniture
La garniture doit être souple, résister aux agents chimiques avec lesquelles elle est en contact ainsi qu’à la température de service. On trouve des garnitures en coton (eau froide), coton graphité, téflon (corrosion chimique)…
Presses étoupes fermés par boulons et écrou respectivement
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Chapitre IV : Caractéristiques des robinets
Sont appelés caractéristiques d’un robinet l‘ensemble de données permettant de définir ses performances (diamètre, débit maximale, pression et température d’utilisation…)
1- Coefficient de débit (Cv, Kv) Le coefficient de débit est une mesure standard du débit de fluide qui circule dans un robinet. Ce coefficient est employé dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des robinets ou à la détermination des débits qui les traversent. Le coefficient de débit d’un robinet est défini comme étant son débit d’eau, à pleine ouverture, sous une chute de pression constante et égale à un dans le système d’unités adopté. Dans le système anglo-saxon, le coefficient de débit Cv, est le débit d’eau exprimé en gallons US / minute (1 gallon US étant l’équivalent de 3.78 litres), à une température comprise entre 5 et 40 °C, s’écoulant à travers un robinet totalement ouvert, en créant une perte de charge d’un PSI (1 p.s.i. équivaut à 0.07 bar). Dans le système européen, le coefficient de débit Kv, est le débit d’eau exprimé en litres/minute à une température comprise entre 5 et 40 °C, s’écoulant à travers un robinet totalement ouvert, en créant une perte de charge d’un bar. Le graphe suivant donne la perte de charge en fonction du débit. Le débit est exprimé en litres par minute, par conséquent, pour une perte de charge de 1 bar il est possible de connaître la valeur de Kv.
∆P
Débit (l /mn)
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Le débit maximal d’un robinet est établit par les constructeurs sous forme de Cv ou de Kv. Lorsqu’on veut choisir un robinet et que toutes les conditions d’utilisation sont définies, (nature du fluide, température, pression amont et aval, etc.) il faut transformer le débit réel (Q) sous forme de Cv. Ci dessous on trouvera les formules permettant de calculer le coefficient de débit dans le cas des liquides, des gaz et de la vapeur d’eau.
a- Liquides
Cv = Q d ∆P Cv [gallons US / min] Q [gallons US / min] d [densité] ∆P [p.s.i.]
Cv = 1.17Q d ∆P Cv [gallons US / min] Q [m3 / h] d [densité] ∆P [bar]
b- Gaz
Cv =
Q Td 279 ∆P (P1 + P 2 )
Cv [gallon US / min] Q [m3/h] : débit aux CNTP T [K] d [densité] ∆P [bar] P1 [bar] : pression d’entrée P2 [bar] : pression de sortie
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Kv = Q d ∆P Kv [litres / min] Q [litres / min] d [densité] ∆P [bar]
c- Vapeur
Cv =
(1 + 0.0013Ts )W 14 ∆P (P1 + P 2 )
Cv [gallon US / min] Q [m3/h] : débit aux CNTP Ts [°C] : surchauffe W [Kg / h] : débit de vapeur ∆P [bar] P1 [bar] : pression d’entrée P2 [bar] : pression de sortie
Dans les formules pour le gaz et pour la vapeur :
-
P1 ; employer P2 telle quelle 2 P1 P1 lorsque P2 ≤ ; employer P 2 = 2 2
lorsque P2>
1.1-
Majoration du coefficient de débit
Il est nécessaire de majorer le coefficient de débit. Cette marge est variable en fonction du type d’obturateur : - obturateurs à loi linéaire : Cv du robinet = 1.25 Cv calculé - obturateurs à loi exponentielle: Cv du robinet = 1.5 Cv calculé
1.2-
Diamètre nominal et pression nominale
Le diamètre nominal (DN) est une mesure de référence permettant d’unifier les différents composants des appareils de robinetterie (tubes, robinets, etc.). La pression nominale (PN) est la pression maximale à laquelle un fluide peut circuler dans un appareil. La pression nominale est donnée à température ambiante.
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Le diamètre nominal et la pression nominale possèdent une caractéristique bien particulière : ils s’expriment sans être suivis d’une unité de mesure. On écrira par exemple : DN 50 et non DN=50 mm. De même, on écrira PN 14 et non PN= 14 bars. Le diamètre nominal ne correspond pas exactement au diamètre intérieur de l’appareil, il existe des tables pour des tuyauteries donnant la correspondance entre le DN et le diamètre intérieur. Voici quelques exemples : DN 20 d intérieur = 21.6 mm DN 25 d intérieur = 27.2 mm DN 32 d intérieur = 35.9 mm DN 40 d intérieur = 41.8 mm
1.3- Perte de charge dans le robinet Il n’est pas facile d’évaluer la perte de charge crée par le passage du fluide à travers le robinet. Pour un fonctionnement efficace d’un robinet de régulation, il est recommandé d’utiliser pour le calcul de CV, une perte de charge égale à 50 % de la perte de charge par frottement dans le reste du circuit. Les tables de perte de charge pour des appareils de robinetterie données en cours de Mécanique des Fluides peuvent aussi être utilisées.
1.4-
Les vitesses limites
Le choix d’un diamètre nominal de corps de robinet ne doit pas conduire à des vitesses de fluide à l’entrée de ce corps de robinet qui dépasseraient certaines vitesses limites. Le respect de ces vitesses permet de diminuer les effets de l’énergie cinétique du fluide (d’érosion). Ces vitesses limites à l’entrée du corps d’un robinet sont généralement de l’ordre de :
1 m /s pour un fuel-oil 1 à 4 m / s pour l’eau 110 m/s pour la vapeur à 565 °C Lorsque la vitesse du fluide à l’entrée d’un corps d’un robinet, dont le diamètre nominal à été déterminé pour que son coefficient de débit corresponde à celui calculé à partir des données de l’installation envisagée, dépasse une des valeurs limites préconisées, il faut prendre un corps de robinet de diamètre nominal supérieur mais réduit au niveau de l’obturateur et du siège. Le robinet équipé ainsi d’un réducteur possède un coefficient de débit sensiblement égal au précédent.
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2- Caractéristique de débit La caractéristique de débit est la relation qui lie la levée de l’obturateur au débit qui traverse le robinet à perte de charge constante (1 bar ou 1 p.s.i. selon le système d’unités). On exprime le débit et le déplacement en valeur relative (% de la valeur maximale).
La finesse de réglage d’un robinet, peut être définie comme la variation de la course de son obturateur pour une variation unitaire du pourcentage de son coefficient de débit. Les obturateurs peuvent être divisés en trois grandes catégories, selon la loi qui régit la variation de la course en fonction de la variation du pourcentage du coefficient de débit du robinet.
a- Caractéristique exponentielle ou égal pourcentage Est celle le plus utilisé. Le débit qui traverse le robinet est une fonction « exponentielle » de la levée de l’obturateur (ici exponentielle est une dénomination industrielle pour ce type de courbe et ne correspond pas à la fonction mathématique connue). C’est à dire que si la position de l’obturateur varie d’une petite quantité, la variation de débit qui en résulte sera égale au débit initial multiplié par un facteur constant. Il en résulte que la sensibilité du robinet sera le même en tout point de la course de l’obturateur. Q = b exp(a d)
avec: a et b constantes d : déplacement de l’obturateur Q :débit
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b- Caractéristique linéaire Cette caractéristique signifie que le débit est proportionnel à la levée de l’obturateur. Q = Qmax d /dmax
avec : Qmax :débit maximal dmax :déplacement à grande ouverture
c- Caractéristique « ouverture rapide » Le débit augmente très rapidement dès l’ouverture de l’obturateur pour atteindre une valeur pratiquement maximum alors que l’obturateur n’a atteint qu’une fraction de sa course. A partir de ce moment, la sensibilité du robinet, maximale à l’ouverture, devient à peu près nulle. Cette caractéristique est utilisé dans les robinets d’arrêt ou « tout ou rien ».
Diverses formes de clapet (linéaire, exponentielle, à ouverture rapide, etc.)
Les vannes à simple portage sont plus étanches et moins coûteuses. Celles à double portage sont plus sensibles, évitent les vibrations, mais elles sont moins étanches et plus coûteuses.
3- Critères de sélection La sélection d’un robinet de régulation devra être faite de telle sorte que les critères ci-dessous répondent parfaitement aux caractéristiques de l’installation concernée.
- Le matériau utilisé pour la construction du corps de vanne Le matériau doit résister à la corrosion ainsi qu’aux conditions opératoires de température et pression. - Plage de réglage du débit (Cv) Le calcul du Cv permettra de déterminer le modèle de vanne à utiliser. - Diamètre nominal de connexions Le diamètre nominal des connexions doit être celui de l’entrée de la vanne car le diamètre de raccordement détermine le débit d’entrée.
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Chapitre V : Ecoulement critique Le débit passant au travers d’un robinet varie avec la chute de pression autorisée, mais il est limité par : - une éventuelle vaporisation du liquide en aval du robinet si en un point quelconque du robinet la pression devient inférieure à la tension de vapeur du liquide - l’écoulement sonique su gaz dans le robinet qui se produit lorsque la pression aval devient inférieure à 50% de la pression amont. Ces régimes d’écoulement sont dits critiques.
1- Fluides incompressibles 1.1- Cavitation La cavitation est un phénomène diphasique qui prend naissance dans un écoulement liquide si la vitesse locale est trop élevée. La pression statique s’abaisse localement jusqu’à la pression de vapeur saturante, Tv, correspondant à la température du liquide. Il se forme alors des bulles de vapeur au sein du liquide (écoulement diphasique). Lorsque la pression statique remonte, en aval de la restriction de section, les bulles de vapeur implosent et l’écoulement devient monophasique (liquide). La formation de bulles puis leur implosion contre les parois du corps du robinet et les organes d’obturation (siège et obturateur) entraînent une érosion rapide de ceux-ci, et dans les cas extrêmes, la formation de cavités. Nous allons suivre la pression lors de l’écoulement d’un liquide à travers un robinet
Diagramme de la pression statique
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Différents régimes d’écoulement dans un robinet
Ce diagramme montre l ‘existence d’une zone appelée «vena contracta » où la pression statique est minimale (cette zone correspond à la contraction maximale de la veine fluide). La pression P2 en sortie est telle que P2 > Pmin (phénomène de récupération de pression) En comparant Pmin et P2 à la tension de vapeur Tv du liquide à la température de l’écoulement, plusieurs cas peuvent se présenter :
a- Pmin > Tv1
(liquide ayant une tension de vapeur, Tv1)
Cas normal de l’écoulement du liquide, la tension de vapeur, Tv1, reste en dessous de la pression minimale occasionnée par le passage du liquide dans la contraction.
b- Pmin < Tv2
(liquide ayant une tension de vapeur, Tv2)
Dans ce cas on observe une vaporisation du liquide dans la zone AB suivie d’une implosion des bulles à partir de B. C’est le phénomène de cavitation.
c- Pmin < Tv3
(liquide ayant une tension de vapeur, Tv3)
Le liquide se vaporise et reste sous forme vapeur en sortie du robinet.
La cavitation produit un bruit très caractéristique, des vibrations et de l’érosion. Il faut donc éviter le fonctionnement d’un robinet en régime de cavitation.
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1.2- Choc hydraulique ou coup de bélier
Le choc hydraulique ou coup de bélier est dû à l’accélération ou à la décélération rapide d’un liquide dans une canalisation. Les liquides se déplacent dans les canalisations avec des vitesses allant de un à quelques m/s. Leur énergie cinétique est importante et ne peu disparaître instantanément, en cas de fermeture brusque (volontaire ou inopinée), sans que des effets souvent néfastes se manifestent. Les coups de bélier sont souvent dus à l’arrêt d’une pompe, à la fermeture brusque d’un robinet, clapet ou autre appareil de robinetterie. L’interruption très rapide de l’écoulement nécessite des forces de pression importantes, en regard desquelles la compressibilité du liquide, même faible, n’est plus négligeable, et intervient directement dans le phénomène, ainsi d’ailleurs que l’élasticité du tuyau. L’onde de choc parcourt, à partir de son origine, le trajet aller et retour de la canalisation avec une force et une vitesse décroissante et une fréquence régulière, jusqu’à son élimination par frottement et inertie. Par leur puissance et leur fréquence, les coups de bélier engendrés dans les canalisations usent et détériorent les tuyauteries et appareils rencontrés sur leur parcours (indicateurs, compteurs, filtres, etc.). Ils se déforment et provoquent des fuites, des bruits et souvent d’éclatements.
écoulement normal
fermeture brusque formation de l’onde de choc
absorption de l’onde de choc par l’anti-bélier
La variation de pression est une : - surpression si le robinet de fermeture est à l’extrémité aval du tuyau. - dépression dans le cas contraire (fermeture d’une vanne ou arrêt d’une pompe en amont. Elle peut alors provoquer de la cavitation, qui complique l’étude du phénomène et peut le rendre plus dangereux). Les principaux facteurs qui interviennent sont : - longueur de la canalisation en amont de l’appareil - vitesse du liquide avant le changement de régime - densité du liquide - durée de fermeture de l’appareil
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1.2.2- Protection contre les coups de bélier Pour protéger les canalisations, il convient d’empêcher, au moyen de dispositifs appelés antibéliers, que la pression ne dépasse celle qui peut être supporté sans inconvénient.
a- Vanne à fermeture lente Pour combattre les coups de bélier dus à la fermeture d’une vanne d’alimentation, il convient de limiter la vitesse de fermeture de celle-ci. On peut, au moyen d’un système de leviers ou de cames de commande, ralentir la vitesse de fermeture de la vanne. Cette solution, qui ne protège pas contre l’arrêt intempestif d’une pompe, est particulièrement recommandée dans les cas des adductions purement gravitaires.
b- Soupape de décharge C’est un appareil de robinetterie qui s’ouvre dès que la pression dans la conduite dépasse une valeur réglée d’avance ; elle laisse alors passer un certain débit. Ce dispositif combat uniquement les surpressions. Son prix est peu élevé, on peu donc le placer en divers points de conduite longue lorsque le point de formation du coup de bélier est incertain et que seules des surpressions sont initialement à craindre.
c- Réservoir antibélier - Cheminée d’équilibre Pour combattre hydrauliquement aussi bien les surpressions que les dépressions, il faut pouvoir non seulement évacuer (temporairement ou non) une certaine quantité de liquide, mais aussi en fournir à la conduite que l’on doit protéger. Il faut donc disposer d’un réservoir partiellement plein pendant le fonctionnement, dans lequel les variations de pression sont associées à des variations de volume. Lorsque la surface libre de ce réservoir est à la pression atmosphérique, c’est une cheminée d’équilibre; dans le cas contraire, il s’agit d’un réservoir sous pression d’air ou autre gaz inerte, appelé communément réservoir antibélier. Les cheminées d’équilibre sont utilisées uniquement lorsqu’on dispose d’une hauteur suffisante (par exemple sur les centrales hydroélectriques ou encore dans le système d’évacuation des toilettes)
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En général un coup de bélier important, causant de dommages sur une installation, se produit lorsque la pression totale de l’onde de choc atteint 1.5 fois de la valeur de pression normale dans la canalisation. On limite le plus souvent cette pression à 1.1 ou 1.15 fois la pression normale.
2- Fluides compressibles Pour les gaz, la vitesse est limitée à la vitesse du son. Il y a écoulement critique lorsque la vitesse du son est atteinte. A cette vitesse, le débit ne peut être augmenté puisque le gaz se déplace à la vitesse de propagation de l’onde de pression. Lorsque la vitesse du fluide atteint la vitesse du son en sortie du robinet, il y a naissance de bruits et des vibrations qui peuvent être dommageables pour la tuyauterie.
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Chapitre XVII : Les clapets et soupapes de sûreté
1- Les clapets Ce sont des organes d’arrêt. On distingue :
- Les clapets d’arrêt dont le rôle est d’empêcher que la vitesse du fluide dépasse une valeur déterminée. Ils sont actuellement peu utilisés. - Les clapets de non-retour dont le rôle est de fermer dès que la circulation du fluide change de sens.
Nous donnons ici les clapets de non-retour les plus répandus dans l’industrie.
a- Clapet de non-retour guidé Il est construit à partir d’un robinet à soupape dont il utilise le corps et le siège. Il assure une bonne étanchéité, même à faible pression et possède un temps de réponse très faible du fait que le clapet tend de par son poids à s’appuyer naturellement sur son siège. Sur certains modèles on peu améliorer la fermeture du clapet par l’action d’un ressort. Ce clapet est utilisé sur des conduites horizontales et verticales. Utilisé pour des fréquences de manœuvre élevées.
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b- Clapet de non-retour à battant La levée du battant dégage un passage direct favorable aux débits importants. Il est utilisé pour des fréquences de manœuvre faibles.
Clapet de no retour à battant Clapet de non-retour à double battant
c- Clapet de non-retour à papillon Ce clapet est dérivé du robinet à papillon, le disque d’obturation étant excentré.
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d- Clapet de non-retour à boule L’obturateur est constitué d’une sphère qui s’applique sur son siège conique. L’absence d’articulation et de liaison mécanique permet l’utilisation de ces appareils pour des liquides chargés ou corrosifs.
Clapets de non-retour à boule
2- Les soupapes de sûreté Ces appareils ont pour but de protéger les installations soumises à la pression d’un fluide. Les soupapes de sûreté s’ouvrent automatiquement sous la seule action du fluide si la pression vient à augmenter, et laissent échapper un débit de fluide correspondant à l’excès de pression produit. La soupape se referme automatiquement lorsque les conditions de service sont rétablies. L’échappement de la soupape pet être libre, mais on utilise généralement un échappement canalisé. Les soupapes de sûreté peuvent être :
-
à contrepoids :
La charge constituée d’une masse appliquée sur un bras de levier et appuyant sur l’obturateur de la soupape.
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-
à ressort :
La charge est exercée par un ressort dont la pression sur la soupape est tarée par l’intermédiaire d’une vis.
Soupapes à ressort
2.1- Soupape d’admission ou reniflard ou casse vide Utilisées dans les installations sous vide. Elles sont destinées à limiter la dépression dans une enceinte en y laissant pénétrer la pression atmosphérique.
Différents types de casse vide
3- Les disques de rupture Comme les soupapes de sûreté, un disque de rupture est un dispositif destiné à limiter la pression d’un fluide à une valeur prédéterminée ; il fonctionne par déchirement d’un élément étalonné sous l’action de l’excès de pression. Un disque de rupture est constitué par :
-
le disque proprement dit, qui est une membrane métallique mince et circulaire.
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- Un porte disque permettant le montage du disque sur la conduite. On utilise un disque d’éclatement lorsque : a- La montée en pression est si rapide qu’on risque une combustion ou une explosion et que l’inertie d’une soupape constituera un inconvénient. b- Lorsque suivant les conditions de service il y a risque de formation de dépôts ou encrassements, ce qui rendrait impossible le fonctionnement d’une soupape. Montages : I-
Réservoir pressurisé avec montage simple d’un disque de rupture ;
II-
Deux disques de rupture montés en parallèle avec une vanne trois vois, ce qui permet de remplacer le disque rompu sans arrêter l’installation.
III-
Disque de rupture et soupape de sûreté montés en parallèle. Si la soupape ne fonctionne pas, le disque assurera la protection de l’installation.
IV-
Disque de rupture monté en amont d’une soupape, à utiliser sur des circuits de fluides corrosifs ou visqueux. Il évite l’utilisation d’une soupape sophistiquée étant donné que c’est le disque qui est en contact direct avec le fluide contrôlé.
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Chapitre VI: Appareils accessoires
1- Les détendeurs Ce sont des organes permettant de diminuer la pression d’un fluide.
P1 : pression d’entrée, haute pression P2 : pression de sortie, basse pression Pc : pression de consigne Un régulateur de pression maintient la pression en aval à sa valeur de consigne en agissant sur l’obturateur pour corriger les variations de la pression soit en amont soit de la consommation en aval du détendeur. Si la différence de pression entre l’amont et l’aval est importante on monte plusieurs détendeurs en cascade au lieu d’un seul.
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2- Les séparateurs La fonction des séparateurs est d’extraire d’un gaz ou d’une vapeur : - du liquide qu’ils contiennent pour les séparateurs de liquides - les solides sous forme de poussières qu’ils véhiculent, dans les séparateurs de solides Les séparateurs courants sont basés sur les principes suivants : - séparation par chocs - séparation par centrifugation On ne parlera pas ici des séparateurs par d’autres procédés tels que les dissicateurs ou les sécheurs réfrigérants (condenseurs). Les purgeurs n’ont aucun effet sur l’eau vésiculaire en suspension dans un gaz ou de la vapeur. Les séparateurs permettent de traiter cette eau en suspension.
2.1.1- Séparateurs à chocs Le gaz ou la vapeur débouche dans une capacité munie de chicanes, à chaque changement de direction imposé, les gouttelettes de liquide plus lourdes sont arrêtées par les chicanes et ruissellent au point bas. Une purge évacue le liquide du fond de l’appareil.
2.1.1- Séparateurs par centrifugation Le gaz introduit tangentiellement au sommet du cyclone, prend un mouvement hélicoïdal vers le bas au cours duquel les particules solides ou liquides sont centrifugées vers la paroi et évacuées par l’orifice inférieur. Le gaz épuré à la base du cyclone remonte dans la partie centrale avec un mouvement hélicoïdale concentrique au premier, puis est évacué par la cheminée supérieure. La séparation des particules se fait par centrifugation. Les cyclones à gaz sont très utilisés pour débarrasser un gaz de particules dont le diamètre est compris entre 10 microns et un millimètre.
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3- Compensateurs de dilatation Le compensateur de dilatation est un dispositif composé d’un ou plusieurs soufflets utilisés pour compenser des mouvements de tuyauterie ou d’éléments d’appareils dus à des sollicitations thermiques ou mécaniques
Compensateur à trois articulations utilisé pour les canalisations de grande longueur
Manchons flexibles
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Exemple d’un montage d’appareils de robinetterie La figure suivante montre un ensemble d’appareils de robinetterie équipant un poste de détente à la sortie d’une chaudière de production de vapeur.
Poste de détente de vapeur
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Normalisation Ci dessous les normes les plus employées dans la construction des appareils de robinetterie. France - Association Française de Normalisation AFNOR Etats-Unis - American National Standards Institute ANSI - American Petroleum Institute API Normes Internationales - International Organization for Standardization
ISO
Bibliographie Ouvrages - Techniques de l’ingénieur. Traités de génie chimique et de génie mécanique - Catalogue formulaire, robinetterie industrielle.1989 SNRI - P. Wuithier. Raffinage et génie chimique.1972 Technip - Guide de la robinetterie industrielle. 1999 Afir Catalogues constructeurs - Consulter les sites : http://www.giacomini.com http://www.helyon.com http://www.gmr-robinetterie.fr http://www.saccap.fr http://www.sectoriel.fr http://www.georgefischer.fr/
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