Types de vannes à billes : flottantes vs tournes

Une vanne à bille est une vanne rotative à quart de tour utilisée pour démarrer, arrêter ou rediriger le flux de liquides et de gaz à travers un système de tuyauterie. Son principal élément de clôture est une boule sphérique avec un alésage traversant le centre. Lorsque l’alésage est aligné avec la canalisation, le fluide peut circuler à travers la vanne. Lorsque la bille tourne de 90 degrés, la surface solide de la boule bloque le passage.

Les vannes à bille sont largement utilisées dans le traitement de l’eau, les pipelines pétroliers et gaziers, la transformation chimique, la production d’électricité, les systèmes d’air comprimé, les conduites de carburant et les réseaux industriels. Leur construction compacte, leur fonctionnement rapide, leur faible résistance au débit et leurs performances fiables d’arrêt en font l’un des modèles de vannes industrielles les plus courants.

Les deux catégories structurelles les plus importantes sont la vanne à bille flottante et la vanne à bille à tourillon. Les deux utilisent le même principe de fonctionnement de base du quart de tour, mais la balle est soutenue et scellée différemment. Ces différences structurelles influencent le couple de fonctionnement, la charge du siège, la taille de la canalisation, la capacité de pression, l’arrangement d’étanchéité et les applications typiques.

Comprendre la différence entre les conceptions flottantes et les modèles à trunnion aide les ingénieurs à choisir la vanne à bille appropriée pour la pression du tuyau, le diamètre de la vanne, la fréquence de fonctionnement, le type de fluide et les besoins en automatisation.

Comment fonctionne une vanne à bille ?

Le principe de fonctionnement de la vanne à bille repose sur la rotation d’un élément de fermeture sphérique percé à l’intérieur du corps de la vanne. La bille est reliée à une tige, et la tige est actionnée par une poignée, une boîte de vitesses, un actionneur pneumatique, un actionneur électrique ou hydraulique.

En position complètement ouverte, le forage traversant la boule est aligné avec l’entrée et la sortie. Le fluide passe par la valve avec relativement peu de changement de direction. Dans une vanne à bille à ouverture complète, le diamètre du trou est proche du diamètre interne du tuyau connecté, créant un chemin d’écoulement presque droit.

Lorsque la tige tourne de 90 degrés, la bille tourne à travers le passage d’écoulement. Le côté solide de la boule fait face à l’entrée et à la sortie, arrêtant le fluide. Les sièges de soupapes placés autour de la bille forment le joint.

1. Complètement ouvert : L’alésage est aligné avec la conduite et le fluide passe à travers la vanne.
2. Mouvement de quart de tour : La poignée ou l’actionneur fait pivoter la tige et la boule.
3. Position intermédiaire : La bille couvre partiellement le passage de l’écoulement en passant de l’ouverture à la fermeture de la selle.
4. Entièrement fermé : L’alésage est perpendiculaire à la canalisation et la surface de billes solides bloque l’écoulement.
5. Étanchéité du siège : Les sièges entrent en contact avec la surface à bille et empêchent le fluide de passer par la valve fermée.

La différence entre une valve à bille flottante et une valve à bille n’est pas le mouvement du quart de tour en lui-même. La différence réside dans la façon dont la balle est maintenue en position et dans la pression qui crée une force d’étanchéité entre la boule et les sièges.

Principaux composants d’une vanne à bille

Les conceptions flottantes et à trunnion utilisent un groupe similaire de composants de maintien et de fonctionnement de la pression. Cependant, un design monté sur un touron inclut des supports supplémentaires et utilise souvent un ensemble de sièges plus complexe.

Qu’est-ce qu’une vanne à bille flottante ?

Une vanne à bille flottante est une vanne à bille dans laquelle la bille n’est pas rigidement fixée par des supports inférieurs de tourillon. La bille est reliée à la tige mais est principalement maintenue en position par les sièges de soupapes en amont et en aval.

Lorsque la vanne est fermée et que la pression entre du côté amont, la force de pression pousse légèrement la bille vers le siège en aval. Ce petit mouvement augmente le contact entre la boule et le siège en aval, créant la force d’étanchéité.

Le terme « flottant » ne signifie pas que la bille se déplace librement dans tout le corps de la soupape. Cela signifie que la balle peut se déplacer d’une petite quantité contrôlée sous pression. La potence fait pivoter la boule, tandis que les sièges la soutiennent et la scellent autour.

Les vannes à billes flottantes sont largement utilisées dans les petites et moyennes tailles de pipelines. Leur construction est relativement simple, et ils peuvent fournir une fermeture bidirectionnelle fiable lorsque les sièges et la carrosserie sont adaptés au flux venant des deux directions.

Principe de fonctionnement de la soupape à bille flottante

Le principe de fonctionnement de la vanne à bille flottante dépend de l’étanchéité en aval assistée par pression. Lorsque la vanne est ouverte, l’alésage est aligné avec la canalisation. Lorsque la vanne se ferme, une pression en amont agit sur la surface exposée de la boule.

Comme la balle peut bouger légèrement, la pression la pousse vers le siège en aval. Le siège en aval absorbe la charge de pression et forme le joint principal. À mesure que la pression dans la canalisation augmente, la force d’étanchéité entre la boule et le siège en aval augmente également.

Cette action d’étanchéité assistée par pression permet à un modèle flottant d’obtenir une fermeture hermétique sans supports biliaires inférieurs fixes. Cependant, l’augmentation de la pression augmente également la charge du siège et le couple nécessaire pour faire tourner la boule.

Construction courante de vannes à billes flottantes

Une vanne à bille flottante peut utiliser une structure de carrosserie en une seule pièce, en deux ou trois parties.

• Soupape à bille monobloc : Utilise un corps compact avec un démontage limité. Il est courant dans les petites lignes utilitaires et industrielles générales.
• Robape à bille en deux parties : utilise deux sections principales de corps et est largement utilisée dans les applications filetées et à brides.
• Robape à bille en trois parties : Utilise une section centrale du corps entre deux connexions d’extrémité. La section centrale peut souvent être retirée pour maintenance pendant que les extrémités des tuyaux restent installées.

Les vannes à billes flottantes peuvent être à pleine ouverture ou à orifice réduit. Une conception à orifice complet offre un alésage plus grand et une résistance à l’écoulement plus faible, tandis qu’une conception à orifice réduit offre une construction plus compacte où une certaine réduction de la surface d’écoulement est acceptable.

Applications à soupape à bille flottante

Les applications courantes de vannes à billes flottantes incluent les systèmes utilitaires industriels, les conduites d’eau, l’air comprimé, les gaz combustibles, les produits chimiques et l’isolation générale des procédés.

• Traitement et distribution de l’eau
• Systèmes d’air comprimé
• Conduites de gaz naturel et de gaz combustible-gaz
• Canalisations de transfert chimique
• Systèmes d’eau de refroidissement et de services publics
• Isolation de la pompe et de l’équipement
• Petits déraillements de procédé
• Plomberie commerciale et industrielle

Qu’est-ce qu’une vanne à bille à touron ?

Une vanne à bille à pivot est une vanne à bille dans laquelle la bille est soutenue par des arbres fixes supérieurs et inférieurs, des roulements ou des tourillons. Ces supports maintiennent la balle en position et empêchent les mouvements latéraux significatifs sous la pression de la canalisation.

Comme la bille reste fixe, les sièges de la soupape se déplacent vers la bille pour créer le joint. Les ressorts de la selle et la pression de procédé poussent les anneaux de selle contre la surface à bille. C’est l’opposé du design flottant, où la pression déplace la bille vers le siège en aval.

La construction montée sur un trunnion est couramment utilisée dans les pipelines de plus grande taille et les systèmes à haute pression. Le soutien mécanique réduit la charge de pression transférée directement dans les sièges et aide à maintenir le couple de fonctionnement dans une plage pratique.

Le modèle de trunnion est largement utilisé dans le transport de pétrole et de gaz, les terminaux de stockage, les stations de compression de pipelines, les usines pétrochimiques, les centrales électriques et d’autres systèmes d’isolation critiques.

Principe de fonctionnement de la vanne à bille Trunnion

Le principe de fonctionnement de la valve à bille du trunnion repose sur une bille fixe et des sièges mobiles assistés par pression. La tige supérieure et le tournoi inférieur soutiennent la boule, lui permettant de tourner sans se déplacer vers le côté aval.

Chaque ensemble de siège est normalement à ressort vers la boule. À faible pression de canalisation, les ressorts fournissent la force d’étanchéité initiale. À mesure que la pression augmente, la pression de procédé agit derrière le siège et renforce le contact entre le siège et la boule.

Comme la bille est soutenue mécaniquement, la force de pression ne pousse pas toute la boule contre un seul siège en aval. Cela réduit la charge des sièges et aide à diminuer le couple de fonctionnement comparé à un modèle flottant équivalent sans support.

Conception du siège à soupape à bille Trunnion

La conception du siège d’une vanne à bille à touron peut supporter plusieurs dispositifs d’isolation de pression. Les configurations courantes incluent des sièges à effet simple et double piston.

Un siège à effet à piston unique utilise la pression de la conduite pour déplacer le siège vers la boule depuis une direction. Selon la conception, la pression piégée dans la cavité du corps de la valve peut être autorisée à revenir dans la canalisation lorsque la pression dans la cavité augmente.

Un siège à double piston peut maintenir l’étanchéité lorsque la pression exerce soit du côté canalisation, soit du côté cavité du corps. Cette disposition peut être choisie lorsqu’un niveau d’isolation plus élevé est requis.

Les vannes à trunnion peuvent également être conçues pour un service double bloc et purge. Dans une configuration appropriée, les deux sièges isolent la pression tandis qu’une connexion de cavité de corps permet d’évacuer ou de vider la pression ou le fluide piégé.

Applications courantes des vannes à bille de trunnion

Les applications courantes de vannes à bille de trunnion impliquent des conduites plus grandes, des pressions plus élevées, une opération à distance et des tâches d’isolation critique.

• Pipelines de transport de pétrole brut
• Systèmes de transport de gaz naturel
• Compresseurs et stations de pompage
• Terminaux de stockage de pétrole et de gaz
• Unités de procédé pétrochimiques
• Systèmes de pigage de pipelines
• Systèmes de carburant haute pression
• Systèmes d’arrêt d’urgence
• Grandes vannes d’isolement automatisées

Vanne à bille flottante vs Vanne à bille à trunnion

Une comparaison entre la valve à bille flottante et la valve à bille de trunnion commence par la façon dont la bille est supportée. Cette différence structurelle influence presque toutes les autres caractéristiques de fonctionnement.

Soutien de la balle et charge sous pression

Le support à billes est la différence mécanique la plus importante entre les deux conceptions.

Dans une vanne flottante, la pression exerce une force à travers la bille et la pousse vers le siège en aval. Le siège doit absorber cette force tout en maintenant le contact d’étanchéité. À mesure que le diamètre et la pression de la soupape augmentent, la charge de siège résultante peut devenir importante.

Dans une vanne montée sur un touron, les supports supérieur et inférieur absorbent la charge de pression principale. Les sièges se déplacent indépendamment vers la balle. Cette disposition est plus adaptée aux larges galeries d’écoulement car la bille ne dépend pas d’un seul siège en aval pour le support mécanique.

La balle supportée améliore également l’alignement entre la balle et les sièges. Cela peut aider à maintenir un comportement d’étanchéité prévisible lors des opérations répétées et des cycles de pression.

Couple de fonctionnement et actionnement

Le couple de fonctionnement de la soupape à bille est influencé par le matériau du siège, la différence de pression, la taille de la soupape, la température, la lubrification et la fréquence de fonctionnement.

Dans une vanne à bille flottante, le contact assisté par pression entre la boule et le siège en aval augmente la friction. À mesure que la pression dans la canalisation augmente, plus de couple peut être nécessaire pour commencer à faire tourner la bille.

Dans une vanne à bille à tournion, des supports fixes réduisent la force de pression agissant directement à travers la zone de contact du siège. Cela permet aux grandes soupapes de fonctionner avec un couple plus maniable.

Les petites vannes flottantes sont souvent actionnées par un levier manuel. Les soupapes moyennes peuvent utiliser des boîtes de vitesses ou des actionneurs compacts. Les grandes vannes à tourbon sont généralement équipées d’actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques.

La taille de l’actionneur doit prendre en compte le couple de rupture maximal attendu, le couple en marche, le couple de selle et le facteur de sécurité. L’actionneur doit également fournir la position de défaillance requise lorsque la vanne fait partie d’un système d’arrêt d’urgence.

Conception de vannes à billes à orifice complet et à orifice réduit

Les modèles flottants et à trounnion sont disponibles en vannes à port plein ou à orifice réduit.

Une vanne à bille à orifice complet possède un alésage approximativement égal au diamètre interne du tuyau connecté. Cela crée un passage relativement libre et aide à réduire la perte de pression.

La construction complète du port est particulièrement importante dans les pipelines de pétrole et de gaz nécessitant du piquage. Les dispositifs d’inspection et de nettoyage de la canalisation doivent passer par la vanne sans obstruction.

Une robinet à bille à orifice réduit a un alésage plus petit. Il peut être plus compact et économique lorsqu’une réduction modérée de la surface d’écoulement est acceptable.

Les conceptions flottantes à pleine ouverture sont courantes dans le service industriel général, tandis que les grandes vannes à pleine ouverture sont largement utilisées dans les conduites de transmission.

Vannes à billes souples et métalliques

Le matériau du siège est un autre facteur important de sélection de la soupape à bille. Les vannes flottantes et à munnion peuvent toutes deux utiliser des sièges souples ou métalliques.

Une valve à bille souple utilise des matériaux polymères de siège pouvant s’adapter étroitement à la surface polie de la boule. Cette construction offre une fermeture hermétique dans des plages de pression et de température appropriées.

Une vanne à bille à siège métallique utilise des surfaces métalliques d’étanchéité. Des revêtements durcis et un usinage de précision peuvent être utilisés pour améliorer la résistance aux particules abrasives à haute température et aux conditions de procédé sévères.

La conception correcte du siège dépend de la chimie des fluides, de la température de fonctionnement, de la différence de pression, du contenu des particules, de la performance de fuite requise et de la fréquence de fonctionnement.

Construction du corps des vannes à bille flottantes et à trunnion

La construction de la carrosserie influence l’installation, la maintenance et la gestion de la pression.

Les valves flottantes utilisent couramment des corps en une pièce, en deux ou trois parties. Un design en trois parties est populaire dans les usines de procédé car le corps central peut souvent être retiré pour l’entretien sans déranger les connexions des tuyaux.

Les vannes montées sur le trunnion peuvent utiliser une construction à entrée latérale, à entrée supérieure ou entièrement soudée.

Vanne à bille à entrée latérale

Une valve d’entrée latérale est assemblée à partir de plusieurs sections de corps le long de l’axe de la canalisation. Il est courant dans les services industriels et de canalisations et permet l’accès aux assemblages boule et siège après la séparation des sections de carrosserie.

Valve à bille à entrée par le dessus

Une valve à entrée supérieure permet d’accéder aux composants internes par le haut du corps. Ce design est utile lorsque retirer la vanne de la canalisation serait difficile.

Vanne à bille entièrement soudée

Un corps entièrement soudé élimine les joints de carrosserie boulonnés. Il est largement utilisé dans les pipelines enterrés et longue distance où la construction compacte et la réduction des chemins de fuite externes sont importants.

Comment choisir entre une vanne à bille flottante et une vanne à bille

Choisir une vanne à bille flottante ou à pivot nécessite d’évaluer l’ensemble du processus plutôt que de ne prendre en compte que la taille du tuyau.

Une vanne à bille flottante est couramment choisie pour l’isolation industrielle générale dans des pipelines de taille plus petite et moyenne. Sa construction plus simple la rend adaptée à l’eau, à l’air comprimé, au gaz combustible, aux produits chimiques et aux services publics.

Une vanne à bille à trunnion est couramment choisie lorsque la conduite est plus grande, la pression est plus élevée, que le couple de fonctionnement doit être contrôlé ou que la vanne effectue une fonction d’isolation critique.

Les facteurs importants de sélection de la soupape à bille incluent :

• Taille du pipeline et diamètre requis du forage
• Pression maximale de fonctionnement
• Température minimale et maximale
• Type et composition chimique du fluide
• Présence de solides ou de particules abrasives
• Coupure requise et performance en cas de fuite
• Construction à port complet ou à port réduit
• Siège souple ou siège métallique
• Fonctionnement manuel ou actionné
• Couple de fonctionnement requis
• Exigences de double blocage et de purge
• Exigences de sécurité incendie et d’antistatisme
• Étanchéité de la tige à faible émission
• Connexions à rebord, filetées ou soudées
• Normes industrielles applicables et spécifications de projet

Pour les petites lignes utilitaires, une vanne à bille flottante peut fournir l’isolation requise dans un boîtier compact. Pour les canalisations de transmission, les grandes conduites de gaz et les systèmes de procédé haute pression, une vanne montée sur un touron est souvent la disposition préférée.

Exigences d’installation de la vanne à bille

Une installation correcte de vannes à bille assure une étanchéité fiable et un fonctionnement fluide. Avant l’installation, la vanne et la canalisation doivent être inspectées pour détecter la saleté, les débris de soudure, la rouille et les matières étrangères.

La classe de pression, la qualité du matériau et la température doivent être vérifiées selon les exigences du système. Les indications directionnelles doivent être suivies lorsque la valve utilise une direction de flux préférée ou une disposition de siège spécialisée.

Les connexions à brides doivent être alignées correctement, et les boulons serrés uniformément. Les soupapes filetées ne doivent pas être trop serrées car une force excessive peut déformer le corps.

Les vannes soudées nécessitent des procédures de soudage appropriées. Les sièges et joints sensibles à la chaleur doivent être protégés des températures excessives lors de l’installation.

Les grandes vannes à billes de trunnion doivent être soutenues selon leur poids et la disposition des actionneurs. La canalisation ne doit pas transférer de charges mécaniques excessives dans le corps de soupapes.

Après l’installation, la vanne doit être actionnée pendant son parcours complet d’un quart de tour. Les joints de carrosserie, les joints de tige et les connexions de la canalisation doivent être vérifiés pour détecter des fuites lors des tests de pression.

Entretien des vannes à bille

Un entretien régulier de la vanne à bille permet de préserver l’étanchéité du siège, l’étanchéité de la tige et un fonctionnement fiable. La fréquence d’inspection dépend des conditions de procédé, des cycles de fonctionnement, de la propreté des fluides et de l’importance de la vanne.

Un programme de maintenance typique peut inclure :

• Vérification du corps et des joints de connexion pour détecter des fuites
• Inspection de la zone de regroupement de la tige
• Surveillance des variations du couple de fonctionnement
• Test des poignées manuelles, des boîtes de vitesses et des actionneurs
• Confirmation de l’indication de position ouverte et fermée
• Actionner périodiquement la vanne lorsque les procédures le permettent
• Vérification des connexions du drain et de la ventilation de la cavité du corps
• Inspection des systèmes d’injection de siège lorsque cela est disponible
• Examiner la balle et les sièges pour détecter s’ils sont usurés ou déposés
• Remplacement d’un emballage, d’étanchéités ou de sièges endommagés
• Enregistrement des inspections et historique d’exploitation

Il faut étudier un couple de fonctionnement accru plutôt que de le surmonter par une force excessive. Les causes possibles incluent la charge sous pression, les dommages au siège, la corrosion, les dépôts accumulés ou les problèmes d’actionneurs.

Des fuites internes peuvent résulter de sièges endommagés, de rayures sur la surface de la boule ou de débris piégés. La canalisation doit être isolée et dépressurisée avant de démonter la vanne.

Questions fréquemment posées

Quelle est la principale différence entre une vanne à bille flottante et une vanne à bille à trunnion ?

Dans une robe à bille flottante, la bille peut se déplacer légèrement vers le siège en aval sous pression. Dans une valve à bille à pivot, la bille est fixée par des supports et les sièges se déplacent vers la bille.

Comment un clapet à bille flottante scelle-t-il ?

La pression de la conduite pousse la boule flottante vers le siège en aval. Ce contact assisté par pression forme le joint principal.

Comment une vanne à bille de tourillon scelle-t-elle ?

La boule reste fixe tandis que les sièges à ressort bougent contre elle. La pression de la canalisation peut agir derrière les sièges et augmenter la force d’étanchéité.

Où une vanne à bille flottante est-elle couramment utilisée ?

Une vanne à bille flottante est couramment utilisée dans les lignes d’eau, d’air comprimé, de gaz combustible, de transfert chimique, de services publics et de procédés généraux.

Où une vanne à bille de touron est-elle couramment utilisée ?

Une vanne à bille à pivot est couramment utilisée dans la transmission de pétrole et de gaz, les stations de compression, les terminaux de stockage, les pipelines haute pression et les systèmes d’arrêt critiques.

Quelle vanne à bille a le couple de fonctionnement le plus faible ?

Un modèle monté sur un touron offre généralement un couple de fonctionnement plus faible et plus gérable en service à grand diamètre ou haute pression car la bille est soutenue mécaniquement.

Les deux conceptions peuvent-elles être en plein port ?

Oui. Les vannes à billes flottantes et à muellettes sont disponibles en configurations à port complet et à orifice réduit.

Une vanne à bille flottante peut-elle être bidirectionnelle ?

De nombreuses vannes à bille flottantes peuvent offrir une isolation bidirectionnelle. La direction réelle de l’écoulement et la performance de l’étanchéité doivent être confirmées à partir des données de conception du fabricant.

Qu’est-ce qu’une vanne à bille double blocage et purge ?

Un système double bloc et purge utilise deux barrières d’assise pour isoler la pression tout en permettant à la cavité du corps de la vanne ou à l’espace entre les barrières d’être ventilé ou vidé.

Comment choisir la bonne vanne à bille ?

Le choix de la robinet à bille doit prendre en compte la taille de la canalisation, la pression, la température, le type de fluide, le matériau du siège, la taille de l’alésage, le couple de fonctionnement, l’actionnement, les exigences d’étanchéité et les normes applicables.

Conclusion

Une vanne à bille est une vanne d’isolement à un quart de tour qui contrôle le débit en faisant tourner un élément de fermeture sphérique percé. Les modèles flottants et montés sur un touron utilisent le même mouvement de base mais soutiennent et scellent la boule différemment.

Dans une valve à bille flottante, la bille est principalement soutenue par les sièges et se déplace légèrement vers le siège en aval sous pression. Ce modèle est largement utilisé dans les pipelines industriels petits et moyens.

Dans une vanne à bille de tourion, la bille est fixée par des supports supérieurs et inférieurs. Les sièges à ressort se dirigent vers la boule et utilisent la pression du procédé pour renforcer l’étanchéité. Cette configuration est couramment choisie pour des applications de pipelines plus importantes, à haute pression et critiques.

Le choix entre les deux conceptions nécessite de prendre en compte la taille de la canalisation, la pression de fonctionnement, les propriétés des fluides, le couple requis, le diamètre de l’alésage, la disposition des sièges, la construction de la carrosserie et les exigences d’automatisation.

Lorsqu’elles sont correctement sélectionnées, installées et entretenues, les vannes à bille flottantes et à trunnion offrent une isolation fiable des quarts de tour, une faible résistance à l’écoulement et un service fiable sur une large gamme de systèmes de tuyauterie industrielle.