Vannes papillon : types wafer, lug et haute performance

Une vanne papillon est une vanne à quart de tour qui utilise un disque rotatif, monté sur un arbre traversant l'axe central de la conduite, pour ouvrir, fermer ou régler l'écoulement.

Une rotation de 90 degrés fait basculer le disque de complètement ouvert (parallèle à l'écoulement) à complètement fermé (perpendiculaire à l'écoulement), offrant une manoeuvre rapide, un encombrement réduit et un faible poids, avantages qui augmentent avec le diamètre de la conduite alors que les vannes à opercule ou à boisseau sphérique deviennent encombrantes.

Fonctionnement du disque et du siège

Le disque s'insère dans un siège collé ou retenu dans le corps de la vanne.

Fermée, le bord du disque appuie contre le siège pour assurer l'étanchéité; ouverte, il pivote hors du passage, laissant un trajet relativement peu obstrué comparé à une vanne à opercule, bien que le disque et l'arbre demeurent toujours dans le flux et provoquent une certaine perte de charge permanente même entièrement ouverts.

L'actionnement se fait par poignée, réducteur, ou actionneur pneumatique ou électrique; la tige à quart de tour maintient des temps de cycle courts et simplifie le dimensionnement de l'actionneur.

Types de corps : wafer, lug et à brides

• Corps wafer se place entre deux brides de tuyauterie, maintenu par des boulons traversant l'ensemble. Le plus léger et le moins coûteux, mais il ne permet pas l'isolement d'un seul côté ; retirer la bride aval alors que la vanne est encore sous pression n'est pas une isolation valide.
• Corps à lugs a des oreilles taraudées moulées dans le corps de sorte que chaque côté se boulonne indépendamment à sa propre bride, permettant de retirer la tuyauterie aval tandis que la vanne reste boulonnée et maintient la pression amont, le choix approprié pour un service en bout de ligne.
• Corps à brides (double-bride) possède des brides intégrées aux deux extrémités, utilisé pour les grandes dimensions ou les services sous pression plus élevée au-delà des limites des corps wafer et à lugs.

Conception concentrique, double-offset et triple-offset

La géométrie du siège distingue une vanne papillon polyvalente d'une vanne haute performance.

• Concentrique (sans décalage) à siège élastique : l'arbre, le centre du disque et l'axe du siège sont alignés. Le siège élastique (EPDM, NBR ou élastomère revêtu de PTFE) offre une étanchéité serrée et peu coûteuse mais frotte le bord du disque sur toute la course, limitant la plage pression/température et accélérant l'usure en service abrasif.
• Double-offset (haute performance) : l'arbre est décalé par rapport aux centres du disque et de la conduite, soulevant le disque hors du siège presque immédiatement à l'ouverture. Le contact n'a lieu que près de la fermeture complète, réduisant la friction et le couple et permettant des classes de pression et de température plus élevées.
• Triple-offset, siège métallique : un troisième décalage dans la géométrie conique du siège permet aux surfaces d'étanchéité de se rencontrer selon un contact en ligne pur uniquement à la fermeture finale, avec pratiquement aucun frottement. Elle atteint les limites de pression et de température les plus élevées et convient aux services résistants au feu ou nécessitant une étanchéité parfaite (étanche à la bulle), à coût supérieur.

Capacité de réglage et couple

Les vannes papillon présentent une caractéristique d'écoulement rotative sur une partie de la course, offrant une capacité de réglage réelle mais limitée, généralement confinée à environ 20 à 70 degrés de rotation du disque.

Près de la fermeture complète, le bord du disque subit des vitesses élevées et une forte chute de pression, favorisant la cavitation, le flashing et l'érosion du siège si on l'utilise comme organe de régulation en dehors de cette fenêtre

pour une tâche de réglage continue, une vanne de régulation conçue pour la cavitation et le flashing est généralement un meilleur choix.

Le couple n'est pas constant au cours de la course.

Le couple de démarrage, nécessaire pour vaincre la friction du siège au début de l'ouverture ou à la fin de la fermeture, est la valeur sur laquelle sont dimensionnés les actionneurs; le couple dynamique en milieu de course est plus faible, avec un pic possible à forte pression différentielle.

Les sièges élastiques génèrent un couple de démarrage plus élevé en vieillissant, d'où l'importance des marges et des contrôles périodiques sur les conceptions concentriques par rapport aux conceptions décalées.

L'usure dépend de la fréquence des cycles, du temps de contact et du contenu particulaire; les services abrasifs favorisent les géométries décalées, qui minimisent le frottement.

Comparaison avec les vannes à boisseau sphérique et les vannes à opercule

Par rapport à une vanne à boisseau sphérique , une vanne papillon est plus légère et moins coûteuse dans les grandes dimensions, mais la vanne à boisseau sphérique offre un passage réellement plein, une perte de charge moindre et une étanchéité plus serrée, elle l'emporte donc lorsque l'isolement est important dans les petites à moyennes dimensions.

Par rapport à une vanne à opercule , la vanne papillon est plus compacte et se ferme en quelques secondes plutôt qu'après de nombreux tours, mais le passage plein de la vanne à opercule convient mieux aux boues.

Les vannes papillon dominent l'isolement de grand diamètre, l'eau de refroidissement, la CVC et les services utilitaires généraux.

Maintenance et fiabilité

Parce que l'état du siège et de l'arbre se dégrade progressivement plutôt que de tomber en panne brutalement, les vannes papillon bénéficient d'intervalles d'inspection suivis plutôt que d'une gestion en mode « fonctionner jusqu'à panne ».

Enregistrer le nombre de cycles, les tendances de couple et les résultats d'étanchéité pour chaque étiquette de vanne dans un GMAO permet de repérer un siège qui sort des spécifications avant qu'il ne provoque un défaut d'isolement.

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Questions fréquemment posées

Une vanne papillon de type wafer peut-elle être utilisée pour un service en bout de ligne ?

Généralement non. Une vanne wafer repose sur la force de serrage des deux brides pour maintenir le siège et aider à retenir la pression. Retirer la tuyauterie aval la laisse sans support, donc les corps à lugs ou double-bride sont corrects pour l'isolement en bout de ligne.

Pourquoi une vanne triple-offset n'a-t-elle pas besoin d'un siège élastique pour assurer une étanchéité serrée ?

Le troisième décalage modifie la géométrie du siège de sorte que le disque et le siège se rencontrent selon un contact linéaire pur uniquement dans les derniers degrés de la fermeture, permettant une étanchéité métal sur métal sans que le disque ne frotte le siège sur toute la course.

Une vanne papillon convient-elle pour le contrôle continu du débit ?

Seulement sur une partie limitée de sa course, approximativement la plage médiane de rotation. L'utiliser fortement étranglée près de la fermeture pendant de longues périodes accélère l'usure du siège et risque la cavitation ; une vanne de régulation conçue à cet effet convient mieux pour un contrôle continu et précis du débit.

Qu'est-ce qui provoque l'augmentation du couple sur une vanne papillon concentrique vieillissante ?

Les sièges en élastomère peuvent gonfler, durcir ou subir un fluage de compression avec le temps et les cycles de température, augmentant la friction que le disque doit vaincre au démarrage. Les marges de couple et les tests périodiques importent davantage pour les vannes à sièges élastiques que pour les conceptions décalées.