L'évolution du robinet à tournant sphérique-englobant tout

La conception compacte, la simplicité d'utilisation, la facilité de réparation et la large capacité de performance ont contribué à faire du robinet à tournant sphérique une conception dominante dans les applications industrielles modernes.

L'invention du robinet à tournant sphérique s'est avérée être un développement révolutionnaire pour l'industrie de la vanne, fournissant de nombreuses solutions uniques qui répondent aux exigences modernes de contrôle du débit. Mais son application réussie n’était pas immédiatement évidente.

Au début de la vie du robinet à tournant sphérique, ses atouts et valeurs actuels n'étaient pas réalisés. Le manque de technologie d’usinage pour fabriquer une balle véritablement ronde n’existait pas. Et les matériaux d’étanchéité de l’époque, associés à l’utilisation de caoutchoucs naturels, étaient très limités et empêchaient l’application du robinet à tournant sphérique à toute utilisation industrielle significative.

Pendant la Seconde Guerre mondiale et dans les années 1950, la technologie d'usinage développée pour l'effort de guerre a permis d'introduire les avantages inhérents du robinet à tournant sphérique dans l'usage militaire. Le développement de matériaux synthétiques tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE), souvent connu sous le nom de marque Téflon, a ouvert la voie à des applications dans le secteur industriel.

Aujourd'hui, le robinet à tournant sphérique est utilisé dans un large éventail d'applications pour le contrôle du débit de liquides, de gaz et même de solides. Ces applications se déroulent à des températures allant de -450 degrés F (-267 degrés) à plus de 1 600 degrés F (871 degrés). Les pressions peuvent aller du vide total à plus de 20 000 psi.

Conception du robinet à tournant sphérique

Les principaux composants du robinet à tournant sphérique sont le corps, la bille, les sièges et la tige. Ces composants peuvent être fabriqués à partir d’une grande variété de matériaux. Les robinets à tournant sphérique sont proposés dans de nombreux raccords d'extrémité, notamment à brides, filetés, à souder et à plaquettes, ainsi que des raccords d'extrémité spécialisés.

Les bases

Les conceptions de robinets à tournant sphérique appartiennent à la catégorie des vannes quart de tour-, y compris les vannes à boisseau et les vannes papillon. Cette catégorie quart de tour-signifie que la tige de valve est tournée de 90 degrés pour le fonctionnement.

Les conceptions les plus courantes sont la conception flottante et la conception montée sur tourillon-. Ils sont généralement bidirectionnels en termes d'étanchéité et peuvent être orientés dans n'importe quelle position ou direction pour l'ouverture et la fermeture.

Certains des avantages fondamentaux de ces robinets à tournant sphérique par rapport à d'autres modèles comprennent :

port complet pour une-efficacité de flux élevée

couple inférieur

plage de pression et de température plus large

capacité de cycle élevée

joints de tige supérieurs

coupe-feu-coffre-fort

moindre coût d’automatisation.

La conception à bille flottante comprime initialement la bille entre des sièges souples lorsque la vanne est assemblée. Cela force le matériau du siège à s'écouler à froid-dans les pores de la bille, créant ainsi un joint sous vide et à basse-pression. En position fermée, la pression de la conduite force la bille dans le siège aval. Cela permet une fermeture étanche de la pression et de la température du siège.

La conception flottante est la plus courante dans une gamme de tailles allant de 1/4 à 12 pouces, bien que certains fabricants proposent des tailles allant jusqu'à 18 pouces. La taille du robinet à bille flottante est limitée par la taille et le poids de la bille, ainsi que par le couple requis pour la faire tourner à mesure que la taille augmente.

Les conceptions montées sur tourillon- fonctionnent exactement à l'opposé de la conception flottante. Dans la conception à tourillon, la bille ne peut pas flotter mais est fixée de manière rigide par la tige en haut et un arbre ou un tourillon, utilisant des roulements en bas. Les sièges sont comprimés contre la bille à l'aide d'un ou plusieurs ressorts pour développer le joint initial à basse pression-.

Les sièges de vanne à tourillon sont conçus avec des joints destinés à être alimentés par le processus, une pression croissante forçant le siège en amont à s'enfoncer plus fort dans la bille. Cela permet une fermeture étanche de la pression et de la température du siège.

Les conceptions à tourillon prennent généralement le relais là où l'application de conception à bille flottante s'arrête et peuvent être trouvées dans une gamme de tailles allant de 3 à 72 pouces. L’avantage de cette conception de vanne devient évident à mesure que la taille de la vanne augmente.

Le poids de la bille et le couple de fonctionnement ne sont pas des facteurs, car les sièges d'une vanne à tourillon ne supportent pas la bille. Cela signifie que les sièges de vanne à tourillon peuvent se spécialiser dans l'étanchéité de la bille, permettant ainsi des vannes beaucoup plus grandes avec un actionnement plus petit que ce qui peut être réalisé dans n'importe quel type de conception flottante.

Corps

Le corps du robinet à tournant sphérique peut être moulé, forgé ou usiné à partir de presque tous les métaux imaginables. Cela est dû à la conception simple et compacte du robinet à tournant sphérique. Les métaux applicables comprennent :

Non-ferreux, comme le laiton, le bronze et l'aluminium

Métaux à base de fer-, notamment le fer, les aciers au carbone et les aciers inoxydables

Métaux à base de nickel-, notamment l'Hastelloy, l'Inconel et le nickel

Métaux réactifs, notamment le titane, le tantale et le zirconium.

Les robinets à tournant sphérique sont également fabriqués dans une variété de plastiques et de polymères, notamment le PVC, le polyéthylène et le polypropylène. Les robinets à tournant sphérique peuvent également être revêtus de polymères et de plastiques, et peuvent être fabriqués ou revêtus de céramiques telles que l'alumine et la zircone.

Aux États-Unis, la conception de base des corps de vannes répond aux directives de la norme ASME (American Society of Mechanical Engineers) B16.34. Ces normes déterminent les épaisseurs de paroi, les niveaux de contrainte et d'autres paramètres en conjonction avec les relations pression-température pour la plupart des alliages ferreux.

Les directives B16.10 spécifient également les dimensions acceptables de nombreuses classes de vannes, telles que les normes spécifiques à l'industrie- telles que la norme 6D de l'API (American Petroleum Institute) pour les vannes de pipeline et l'API 608, "Vannes à bille métalliques-Flanged, Threaded, and Welding Ends". Ces spécifications contrôlent les dimensions, les matériaux et les applications pour garantir que la conception de la vanne reste cohérente d'un fabricant à l'autre et qu'elle est sûre pour l'application prévue.

Les robinets à tournant sphérique dans les services d'aqueduc sont couverts par la norme AWWA (American Waterworks Association), C507-18, "Ball Valves, 6 in. Through 60 in. (150mm through 1500 mm)."

De nombreux autres pays ont des normes nationales et plusieurs organisations favorisent également les normes internationales. Les fabricants de vannes souhaitant entrer sur le marché mondial doivent se conformer aux normes ISO (Organisation internationale de normalisation), PED (Directive sur les équipements sous pression de la Commission européenne -), CE (PED) et ATEX (Bureau Veritas), parmi les nombreuses autres qui existent, comme en Chine et en Russie. Le respect de ces normes est devenu un mandat pour le commerce avec l'Union européenne, ainsi que les normes JIS pour le Japon et des exigences similaires ailleurs.

D'autres spécifications courantes pour l'évaluation des vannes à bille incluent WOG (eau/pétrole/gaz), CWP (pression de service à froid) et WSP (pression de vapeur de service). Ces valeurs nominales sont plus limitées et sont généralement établies par chaque fabricant. Toutes ces spécifications établiront une courbe pression/température pour la conception de la vanne, qui abaissera la pression nominale à mesure que la température augmente.

Les conceptions de carrosserie sont divisées en quatre configurations de base :

Trois pièces-pivotantes. Le corps est conçu en trois pièces avec la possibilité de faire pivoter facilement la section centrale du corps hors de la conduite pour la réparer sans avoir à retirer la vanne entière. Ceci est pratique lorsque les vannes sont filetées ou soudées dans un pipeline.

Fin de l'entrée. Cette conception utilise une conception-d'une seule pièce ou monocoque. Tous les composants internes sont assemblés dans la vanne par l'extrémité, où un bouchon d'extrémité est installé pour retenir les pièces. Cette conception élimine toute forme de joint de corps ou de chapeau, éliminant ainsi tout chemin de fuite potentiel.

Corps divisé. Cette conception (Figure 5), comme son nom l'indique, divise le corps en deux moitiés et permet un assemblage facile et un joint de corps de moins que la conception en trois-pièces.

Cette conception à corps divisé est particulièrement avantageuse lorsque la taille de la vanne est grande, ce qui facilite l'assemblage de gros composants.

Entrée supérieure. La conception à entrée supérieure utilise un corps d'une seule pièce-comme l'entrée d'extrémité, sauf que le haut du corps est exposé afin d'assembler les pièces internes. Un chapeau est ensuite boulonné sur le dessus de la vanne, ce qui rend cette conception réparable en ligne-, similaire à la conception en trois-pièces. Les conceptions à entrée supérieure les plus courantes sont uniques aux conceptions de robinets à tournant sphérique, car la bille et les sièges flottent et fonctionnent à l'unisson et selon une conicité dans le corps, contrairement aux autres conceptions.

Le bal

L’élément de contrôle du débit du robinet à bille est bien entendu la bille. La bille agit contre le siège et peut arrêter ou contrôler le débit à travers la vanne. Les billes sont conçues et fabriquées selon des tolérances rigoureuses en matière de finition de surface et de sphérosité, ou de rondeur. La bille et le siège sont essentiels au bon fonctionnement, à un couple réduit et à de bonnes performances d'étanchéité, en particulier lorsque des sièges métalliques et une étanchéité métal-sur-sont nécessaires. La configuration des ports à bille peut varier d'un style standard à trous droits et traversants-à un style multi-ports pour les vannes à bille qui offrent des conceptions de ports à trois- à cinq-voies. Alors que la plupart des modèles de robinets à tournant sphérique utilisent une bille sphérique complète, il existe également des modèles qui utilisent une demi-bille (secteur) et d'autres qui utilisent l'action d'une came pour forcer la bille dans le siège.

Les billes utilisées dans les vannes sont usinées à partir de nombreux matériaux, notamment le métal, la céramique ou le plastique. Les billes métalliques peuvent être améliorées avec une variété de revêtements ou de traitements de surface. Ceux-ci sont utilisés pour améliorer la résistance à l’usure, la résistance à la corrosion ou une dureté élevée pour éviter le grippage, là où le métal de base ne résiste pas.

Les améliorations de surface peuvent inclure des polymères, une pulvérisation à la flamme, du nickel autocatalytique, des revêtements PVD et des processus de diffusion tels que l'application de nitrures et de borures. Ces améliorations constituent l'une des principales raisons de l'application réussie des vannes à bille dans la grande variété d'applications dans lesquelles elles sont actuellement utilisées.

Sièges

L'amélioration de la conception et de la technologie du siège a permis au robinet à tournant sphérique de s'étendre à un large éventail d'applications. Ces sièges peuvent remplir de multiples fonctions, en fonction de la conception de la vanne et du matériau du siège.

Ils doivent fournir une fermeture étanche dans le cas de matériaux résilients, ainsi que soutenir la bille dans les conceptions à bille flottante, résister au service et offrir une bonne durée de vie. Les sièges peuvent également intégrer des ports caractérisés à des fins de contrôle du flux.

Les conceptions à siège souple sont communément appelées conceptions « bloquées » qui fournissent un contact complet-face une fois assemblées, ou conceptions à lèvres flexibles qui ont un contact facial réduit pour un couple inférieur et une durée de vie améliorée.

Différentes conceptions de carrosserie utiliseront ces éléments ou des variantes de la conception de base du siège souple. Les conceptions de nombreux fabricants fournissent également une certaine forme de décompression dans la cavité, empêchant ainsi les dommages au siège et à la vanne en cas de pression de cavité piégée par le fluide emprisonné dans une vanne fermée.

Les matériaux de siège souples utilisés aujourd'hui comprennent, sans s'y limiter :

Caoutchoucs, y compris le néoprène et le Buna

Fluoropolymères, notamment PTFE, TFM, PBI et PFA

UHMWPE (polyéthylène à poids moléculaire ultra-élevé)

PEEK (polyéther éther cétone)

Delrin

Nylon

Les modèles à siège métallique sont utilisés dans les vannes à bille pour gérer les applications les plus sévères, notamment les hautes pressions, les hautes températures, l'abrasivité et le contrôle du débit.

Il existe de nombreux modèles de sièges métalliques utilisés, dont les plus courants incorporent des sièges en métal solide, trempés ou revêtus en surface, et rodés à une bille qui a été durcie de la même manière. Cela correspond aux surfaces de la bille et du siège pour assurer une bonne étanchéité.

D'autres modèles incluent du métal fritté imprégné de graphite ou de PTFE, et même certains modèles flexibles. Les sièges résilients doivent être étanches aux bulles-, mais la plupart des vannes avec sièges métalliques sont autorisées à certaines fuites selon les taux de fuite spécifiés pour les vannes à bille à siège métallique-. Les plus courantes de ces spécifications sont MSS-SP-61 et API 598. D'autres spécifications couramment appliquées aux robinets à tournant sphérique à siège métallique incluent les normes FCI 70.2 et API.

La plupart des modèles de billes flottantes à siège métallique-utilisent des ressorts et/ou des joints pour comprimer les sièges contre la bille et pour sceller l'arrière du siège en cas de basses pressions. La bille flotte contre le siège en aval à mesure que la pression augmente, assurant ainsi une fermeture de la conception de pression et de température du siège, similaire à l'action de la version à siège souple-.

Dans les conceptions à tourillon, des ressorts et souvent plusieurs joints sont utilisés pour capter la pression de la conduite, forçant les sièges plus fort contre la bille à mesure que la pression augmente. Certains fabricants usinent même la surface d'appui dans le corps de la vanne, éliminant ainsi les ressorts et les joints dans une direction. Cependant, cela entraîne généralement un fonctionnement de vanne unidirectionnel.

Tiges

La tige est utilisée dans le robinet à bille pour faire tourner la bille vers une position ouverte ou fermée, ou vers une position intermédiaire pour le contrôle du débit. Les matériaux utilisés pour les tiges doivent résister à bien plus que la simple pression du corps, de la bille ou des sièges. Ils doivent résister à la corrosion et à la température du processus tout en conservant suffisamment de résistance pour résister au couple qui leur est appliqué lorsque la vanne est actionnée. Pour cette raison, des matériaux plus résistants à la résistance et à la corrosion-sont généralement sélectionnés pour la fabrication des tiges.

Comme la tige constitue la connexion avec la balle, elle doit traverser le corps pour pouvoir être actionnée de l’extérieur. Cela nécessite que la tige soit dotée de joints afin d'empêcher les fluides présents dans la vanne de s'échapper. Les joints doivent être étanches aux bulles, résister à la corrosion et à la température du fluide et offrir une bonne durée de vie.

Les matériaux typiques pour les joints de tige comprennent des polymères tels que le PTFE et le PEEK. Pour des températures plus élevées ou pour la sécurité incendie, des joints de tige en graphite sont généralement utilisés. Ces matériaux restent flexibles sur de larges plages de températures et sont chimiquement résistants. Dans les vannes coupe-feu-, les joints doivent survivre à un incendie sans fuite.

Les modèles de vannes quart de tour rotatives-comme le robinet à tournant sphérique sont dotés des joints de tige-les plus performants. Cela est dû au fait que la tige se déplace dans un mouvement de rotation, par opposition à un mouvement de tige ascendant que l'on retrouve dans les vannes à vanne et à soupape. Compte tenu des préoccupations et des réglementations environnementales actuelles, les performances des joints de tige sont essentielles pour les fabricants de vannes et les utilisateurs finaux-.

Les conceptions de joints à tige se répartissent en deux catégories de base : les joints à tige-énergisés et les-joints à corps-énergisés. Ces conceptions utilisent de nombreux types de joints différents, les plus courants étant les anneaux plats, les chevrons, les coupelles et cônes et les éléments monolithiques.

Tige dynamisée.Dans cette conception, il y a généralement plusieurs bagues d'étanchéité. Certains d'entre eux se trouvent à l'intérieur de l'enceinte de pression du corps de vanne qui devient le joint primaire, et d'autres se trouvent à l'extérieur de l'enceinte de pression dans ce que l'on appelle la « garniture d'étanchéité » ou le « presse-étoupe ».

Ces joints sont comprimés ou excités par l'action de tirer sur la tige avec un écrou de tige, qui comprime simultanément les joints supérieurs avec un suiveur de garniture. La plupart de ces conceptions intègrent des ressorts Belleville pour charger les joints. Cela permet à l'ensemble de joint de tige de s'auto-ajuster et de compenser la température, ce qui permet une durée de vie plus longue avant qu'un réajustement ne soit nécessaire.

Corps dynamisé.Dans cette conception, l'étanchéité est réalisée au-dessus de la limite de pression dans la boîte à garniture, toujours à l'aide d'une ou plusieurs bagues d'étanchéité. Certains fabricants peuvent utiliser une butée sur la tige en dessous de l'enveloppe de pression, mais aucune étanchéité n'y est réellement effectuée.

Ces joints sont chargés à l'aide d'un « étrier » ou d'une « plaque passe-câbles », comprimant les joints dans la boîte à garniture à l'aide de boulons filetés dans le corps. La conception utilise généralement plusieurs ressorts Belleville sur les boulons pour "charger" à nouveau la plaque passe-câbles, ce qui permet au joint de tige de s'auto-ajuster-.

L'avantage de cette conception est que la tige est libre de flotter à l'intérieur des joints, ce qui réduit le couple et augmente la durée de vie du joint de tige. Cette conception permet également l'incorporation de conceptions à « émissions fugitives », qui utilisent plusieurs ensembles de joints, créant ainsi des joints supplémentaires ou redondants pour les applications toxiques et à cycle élevé-.

Applications

Grâce aux conceptions et aux matériaux avancés proposés dans les robinets à tournant sphérique modernes, ils sont utilisés dans de nombreux services et industries. Le succès de ces applications dépend de la spécification correcte de toutes ces conceptions et composants, comme indiqué.

Les conceptions de balles ne se limitent pas au service marche/arrêt. Ils peuvent être utilisés pour détourner, contrôler ou mélanger des flux. Différentes fonctions peuvent être accomplies en disposant de plusieurs ports pour la déviation et le mélange, ou en disposant d'un port caractérisé, tel qu'un port V-, pour le contrôle du flux.

L'utilisation de robinets à bille de commande quart de tour-est de plus en plus courante dans les applications de contrôle de débit à chute de pression modérée-. Cela est dû aux avantages du processus : coût réduit, fermeture étanche et haute précision lorsqu'ils sont associés à des commandes numériques sur l'actionnement électrique et pneumatique.

Il existe également des modèles de robinets à tournant sphérique spécialisés pour des applications uniques. Il peut s'agir de vannes pour le service cryogénique, qui doivent gérer des températures extrêmement basses, et de vannes pour la vapeur à haute-pression, qui doivent gérer des températures et des pressions extrêmement élevées.

D'autres applications des robinets à tournant sphérique incluent leur utilisation dans des industries telles que les industries pharmaceutique, aérospatiale, nucléaire, biotechnologique et des pâtes et papiers. Les applications dans lesquelles ils sont utilisés comprennent les acides et les produits chimiques, les boues, les fluides thermiques, la vapeur et la cryogénie.

Conclusion

La conception compacte, la simplicité d'utilisation, la facilité de réparation et la large capacité de performance ont contribué à faire du robinet à tournant sphérique une conception dominante dans les applications industrielles modernes. Et les robinets à tournant sphérique continuent d'évoluer afin de répondre à des demandes nouvelles et plus difficiles.

Le secteur industriel met de plus en plus l'accent sur la sécurité, l'environnement, l'amélioration de l'efficacité et la réduction des coûts. Ainsi, les atouts du robinet à bille continueront d’en faire un acteur important avec de nombreux rôles futurs.