Présentation de la vanne à bille : caractéristiques structurelles, défaillance |Fleyenda

Présentation de la vanne à boisseau sphérique : caractéristiques structurelles, analyse des défaillances, applications

avr.26.2025

Les vannes à bille, qui ont émergé dans les années 1950, sont rapidement devenues une catégorie majeure de vannes en quelques décennies. Les premières vannes à bille ont évolué à partir des vannes à boisseau, utilisant une bille au lieu d’un bouchon pour contrôler l’écoulement du fluide. La zone de passage de l’écoulement à l’intérieur de la vanne correspond au diamètre de la canalisation, ce qui permet au fluide de passer directement avec une perte de charge minimale. Le fonctionnement de l’ouverture complète à la fermeture complète ne nécessite qu’une rotation à 90° de la tige de la vanne. L’ensemble de la vanne se compose de quelques composants différents, ce qui facilite l’entretien et la réparation. Les vannes à bille sont très appropriées pour le transport de fluides tels que les liquides et les gaz. Cependant, comme les sièges sont généralement en caoutchouc, en nylon ou en PTFE, la température de fonctionnement est généralement limitée à moins de 200 °C. Pour les boues, les solides ou les fluides à haute température, des sièges métalliques doivent être utilisés. Aujourd’hui, les vannes à bille sont largement utilisées dans divers domaines tels que la pétrochimie.

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I.. Classification des vannes à bille
1. Par structure: Classé en vannes à bille flottantes et à tourillon en fonction du mécanisme de support.
2. Par montage: Divisé en vannes à bille à entrée par le haut, à entrée latérale (monobloc, en deux pièces, en trois pièces) et inclinées en fonction de la méthode d’installation à bille.
3. Par structure de balle: Comprend des vannes à boisseau sphérique intégrées, à bille segmentée et à bille à orifice en V (bille à segment arqué, à bille à segment elliptique).
4. Par passage d’écoulement: Classé en vannes à boisseau sphérique à deux voies, trois voies et quatre voies.
5. Par matériau du siège: Divisé en vannes à boisseau sphérique Soft-Seal et Hard-Seal en fonction du matériau des pièces internes (principalement le siège).
6. Par actionnement: Comprend des vannes à bille manuelles, pneumatiques, électriques et hydrauliques.
7. Par application: Classé en vannes à bille à vide, vannes à bille cryogéniques, vannes à bille haute température, vannes à bille à chemise isolée et vannes à bille revêtues résistantes à la corrosion.

Les vannes à bille peuvent être classées de plusieurs façons. Les catégories les plus courantes sont au nombre de quatre : les vannes à boisseau sphérique flottantes à joint souple, les vannes à boisseau sphérique flottantes à joint dur, les vannes à boisseau sphérique à tourillon souple et les vannes à boisseau sphérique à joint dur à tourillon, comme illustré.

Robinet à boisseau sphérique flottant Fleyenda Flow Soft-Seal

Vanne à boisseau sphérique flottante à joint dur Fleyenda Flow

Fleyenda Flow Robinet à boisseau sphérique fixe à joint souple

Fleyenda Flow Robinet à boisseau sphérique fixe à joint dur

II.. Caractéristiques des vannes à bille

Par rapport à d’autres types de vannes, les vannes à bille présentent plusieurs avantages. Tout d’abord, ils ont une capacité de débit élevée. Les vannes à bille sont disponibles avec des configurations à passage réduit et à passage intégral, et quelle que soit la conception, elles ont généralement un faible coefficient de résistance à l’écoulement. Deuxièmement, ils offrent une utilisation rapide et facile. En règle générale, une rotation de 90° de la tige de la vanne est suffisante pour ouvrir ou fermer complètement la vanne, ce qui permet un actionnement rapide. De plus, les vannes à bille sont équipées d’une tige anti-éruption pour assurer une utilisation et un entretien plus sûrs.

Principales caractéristiques des vannes à boisseau sphérique à joint souple
1. Les vannes à boisseau sphérique à joint souple présentent généralement une conception à montage direct à plate-forme haute avec un presse-étoupe dissimulé réglable. L’emballage peut être ajusté sans démonter le cylindre ou tout autre composant.
2. Bonne étanchéité : Actuellement, la plupart des sièges de vanne à bille à joint souple sont fabriqués à partir de matériaux élastiques non métalliques, offrant d’excellentes capacités d’arrêt et assurant l’absence de fuite.
3. Structure de protection contre l’incendie : Selon les exigences de conception AP1607, les vannes à boisseau sphérique à joint souple sont dotées d’une structure ignifuge : deux joints - un siège souple et un siège de secours en métal. Même en cas d’incendie, la vanne maintient le support et l’étanchéité, évitant ainsi les fuites.
4. Dispositif antistatique : la tige de la valve est équipée de deux petites billes d’acier conductrices. Ces billes maintiennent un contact constant avec le corps de la vanne et la bille sous l’effet de la force, ce qui permet à l’électricité statique générée par les collisions de fluides d’être évacuée pendant le fonctionnement.
5. Conception de siège auto-déchargeur : Cette conception empêche les fluides liquides ou gazeux résiduels à l’intérieur de la cavité de la vanne de provoquer des augmentations de pression explosives dues à l’élévation de la température lorsque la vanne est complètement fermée ou complètement ouverte.
6. Longue durée de vie : Les sièges non métalliques, tels que le PTFE, offrent une bonne autolubrification, ce qui entraîne une faible friction et une usure contre la balle. Les processus de fabrication de billes améliorés réduisent la rugosité de surface, ce qui augmente la durée de vie de la vanne.

Principales caractéristiques des vannes à boisseau sphérique à joint dur
1. Les vannes à bille à joint dur utilisent des billes et des sièges usinés de haute précision. Selon l’application, les surfaces de la rotule et du siège sont recouvertes de matériaux tels que l’alliage à base de cobalt, l’alliage à base de nickel ou revêtus de carbure de tungstène, offrant une excellente résistance à l’usure.
2. Performance d’étanchéité : Un processus de meulage unique garantit que les surfaces de la bille et du siège atteignent une rondeur et une douceur élevées, ce qui permet une étanchéité étanche aux bulles et potentiellement aucune fuite.
3. Structure d’étanchéité élastique : Empêche la vanne de se gripper en raison de la dilatation thermique à haute température, assurant un fonctionnement flexible même dans des conditions de haute température.
4. Applicabilité : Convient aux fluides contenant des particules solides ou des boues à différentes températures et pressions.

III.. Conception et calcul des robinets à boisseau sphérique
1) Lors de la conception d’un robinet à boisseau sphérique, vous devez d’abord confirmer le diamètre du robinet à boisseau sphérique d : le diamètre du canal à bille est divisé en deux types : diamètre non réduit et diamètre réduit :

Diamètre non réduit : d est égal au diamètre du corps de la vanne spécifié dans les normes pertinentes
Diamètre réduit : généralement d = 0,78 le diamètre du canal du corps de la vanne spécifié dans les normes pertinentes. À ce stade, sa section de transition est mieux conçue comme une transition d’angle de cône pour s’assurer que la résistance à l’écoulement n’augmente pas.

2) Après avoir déterminé le diamètre, vous devez déterminer le rayon de la balle. Généralement, R= (0,75~0,95) d est utilisé. Pour les petits diamètres, le calcul prend une valeur relativement grande pour R, et vice versa. Afin de s’assurer que la surface de la bille peut couvrir complètement la surface d’étanchéité du siège de soupape, après avoir sélectionné le diamètre de la bille, elle doit être vérifiée selon la formule suivante :D_Min=√D₁²+ √ j²

D_Min: diamètre minimum calculé de la bille
D₁: diamètre extérieur de la surface de contact du siège de soupape
d: diamètre du trou du canal à bille
D: diamètre réel de la bille

3) Détermination de l’épaisseur de la paroi du corps de la vanne (nous suivons généralement les normes ASME) Formule de calcul de l’épaisseur de la paroi : SB=S’B+C

SB: épaisseur réelle de la paroi
S’B: épaisseur calculée
C: marge de corrosion

Pour déterminer l’épaisseur calculée S’B, reportez-vous à la pression, aux conditions de température et aux propriétés réelles du matériau. Habituellement, la norme ASME B16.34 fournit une méthode spécifique de calcul de l’épaisseur de paroi.

4) Formule de calcul de la pression relative entre la bille et le siège de la soupape :q_MF

q_MF: pression relative requise de la surface d’étanchéité
q: pression relative calculée de la surface d’étanchéité
[q]: pression relative admissible de la surface d’étanchéité

5) Calcul du raccourcissement de rotation de la vanne à bille : M=M_m+M_t+ M_u+ M_o

M: couple total
M_m: couple de frottement entre le joint du siège de soupape et la bille
M_t: couple de frottement entre la tige de la vanne et la garniture
M_u: couple de frottement entre l’épaulement de la tige de soupape et la rondelle de butée
M_o: couple de frottement entre la tige de la soupape et le joint torique.

6) Calcul de la résistance de la tige de soupape :
Contrainte de torsion à la liaison entre la tige de la vanne et la bille τ_N₁= M/p₁≤ [τ]
Contrainte de torsion au niveau de la liaison entre la tige de la vanne et l’actionneur τ_N2= M/p₂≤ [τ]

M: couple total
w₁: coefficient de torsion de la section de la tige de la vanne au niveau de la connexion avec la bille
w₂: coefficient de torsion de la section de la tige de la vanne au niveau de la connexion avec l’actionneur
[τ] :contrainte de torsion admissible du matériau.

IV.. Analyse des fuites des robinets à boisseau sphérique
Les fuites du robinet à boisseau sphérique peuvent être classées en fuites externes et internes. Les fuites externes entraînent souvent un gaspillage de matières premières et d’énergie, la pollution de l’environnement et des dangers potentiels tels que les incendies, les explosions ou les empoisonnements, entraînant des pertes économiques importantes.

Causes de fuites externes :
1. Corps de la vanne : Généralement causé par des défauts de coulée tels que des pores ou des trous de sable, entraînant des fuites moyennes. Généralement détecté par des essais hydrauliques.
2. Connexions : Fuite au niveau du corps de la vanne, des raccords latéraux ou des raccords du corps de la vanne à la bride du pipeline. Généralement causé par des problèmes tels qu’un type, un matériau ou une taille de joint inappropriés, une mauvaise qualité de surface d’étanchéité de la bride ou des charges externes excessives sur les boulons de connexion.
3. Tige de soupape : Souvent en raison d’une conception ou d’une sélection de matériaux inappropriées, provoquant le grippage de la tige de soupape à une position spécifique, empêchant une fermeture correcte et entraînant des fuites importantes.
4. Presse-étoupe d’emballage : Causé par un presse-étoupe lâche, une étanchéité inadéquate, un type ou une qualité d’emballage inadéquat, ou le vieillissement ou l’usure de l’emballage.

Causes de fuites internes :
1. Conception et fabrication : Problèmes entraînant une mauvaise étanchéité et des fuites moyennes, généralement par infiltration ou petite décharge continue.
2. Dommages lors de la manipulation : Dommages à la surface d’étanchéité de la bille ou du siège pendant la fabrication, le transport, l’inspection, l’installation ou l’utilisation, entraînant des fuites.
3. Particules solides dans le milieu : Impuretés solides dans le milieu provoquant une fermeture inappropriée de la vanne et des fuites de fluide, allant d’une petite infiltration à de grands débits.

Applications des vannes à bille
En raison de leurs nombreux avantages, les vannes à bille sont largement utilisées. Recommandé pour les systèmes nécessitant un réglage à deux positions, une étanchéité stricte, une boue, une résistance à l’usure, des voies d’écoulement à passage intégral, un fonctionnement rapide, une coupure à haute pression (pression différentielle élevée), un faible bruit, une vaporisation et des fuites minimales, un faible couple de fonctionnement et une faible résistance aux fluides.

V.. Comment choisir le bon robinet à boisseau sphérique pour diverses applications :
- Gazoducs de ville/gaz naturel : Robinets à boisseau sphérique flottants à brides ou filetés.
- Conduites d’oxygène en métallurgie : Vannes à bille strictement dégraissées.
- Lignes de transformation des aliments : Vannes à bille polies de qualité sanitaire.
- Principaux pipelines dans le transport du pétrole et du gaz : Vannes à bille soudées à passage intégral enterrées.
- V-Port Control : Vannes à bille avec ouvertures en forme de V pour certaines performances de régulation.
- Pétrochimie, raffinage et production d’énergie : Vannes à boisseau sphérique à joint souple pour les systèmes fonctionnant en dessous de 200 °C et vannes à boisseau sphérique à étanchéité dure pour les systèmes au-dessus de 200 °C.

En conclusion, les vannes à bille sont largement utilisées et leur offre mondiale augmente chaque année. La tendance au développement comprend une température élevée, une pression élevée, un grand diamètre, des performances d’étanchéité élevées, une longue durée de vie, une excellente régulation et une multifonctionnalité. En raison de leur résistance à la corrosion, de leur légèreté et de leur rentabilité, ils ont partiellement remplacé les robinets-vannes, les robinets à soupape et les vannes de régulation. Grâce aux progrès de la technologie des vannes à bille, leur utilisation dans des industries telles que les pâtes et papiers, le transport de gaz naturel, le raffinage et l’énergie nucléaire devrait se développer considérablement dans un avenir prévisible.

Vanne à bille Fleyenda
Fleyenda se concentre sur la conception, la fabrication et la livraison de produits de premier ordre tout en offrant un service client exceptionnel. Notre gamme de produits comprend diverses vannes, telles que des vannes manuelles, des vannes électriques, des vannes pneumatiques et des accessoires de vannes de régulation de débit. Ces vannes sont conçues pour répondre aux besoins de diverses industries, notamment la pétrochimie et les produits chimiques, le pétrole et le gaz, l’eau et les eaux usées, les produits pharmaceutiques et la biotechnologie, ainsi que les secteurs des nouvelles énergies.

N’hésitez pas à nous contacter pour plus de détails sur les vannes et les derniers devis de vannes. L’équipe de professionnels de Fleyenda s’engage à vous aider à trouver les solutions parfaites pour vos applications.

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