Où les valves sont utilisées : partout !

08 novembre 2017 Écrit par Greg Johnson

On trouve aujourd’hui des vannes presque partout : dans nos maisons, sous la rue, dans les bâtiments commerciaux et dans des milliers d’endroits au sein des centrales électriques et hydrauliques, des usines de papier, des raffineries, des usines chimiques et d’autres installations industrielles et d’infrastructure.
L'industrie des vannes est très diversifiée, avec des segments allant de la distribution d'eau à l'énergie nucléaire, en passant par l'amont et l'aval du pétrole et du gaz. Chacune de ces industries utilisatrices utilise des types de vannes de base ; cependant, les détails de construction et les matériaux sont souvent très différents. En voici un échantillon :

TRAVAUX D'EAU
Dans le secteur de la distribution d'eau, les pressions sont presque toujours relativement basses et les températures ambiantes. Ces deux caractéristiques d'application permettent de concevoir des vannes dont la conception est inadaptée à des équipements plus exigeants, comme les vannes à vapeur haute température. La température ambiante de l'eau permet l'utilisation d'élastomères et de joints en caoutchouc, inadaptés à d'autres applications. Ces matériaux souples permettent d'équiper les vannes d'eau d'une étanchéité parfaite contre les fuites.

Un autre élément à prendre en compte lors de la conception des vannes de service d'eau est le choix des matériaux de construction. La fonte et la fonte ductile sont largement utilisées dans les réseaux d'eau, notamment pour les conduites de grand diamètre extérieur. Les vannes en bronze conviennent parfaitement aux conduites de très petit diamètre.

Les pressions supportées par la plupart des vannes de distribution d'eau sont généralement bien inférieures à 200 psi. Cela signifie que des conceptions à parois plus épaisses et à haute pression ne sont pas nécessaires. Cela dit, il existe des cas où les vannes d'eau sont conçues pour supporter des pressions plus élevées, jusqu'à environ 300 psi. Ces applications concernent généralement les aqueducs longs, proches de la source de pression. On trouve parfois des vannes d'eau à haute pression aux points de pression les plus élevés d'un grand barrage.

L'American Water Works Association (AWWA) a publié des spécifications couvrant de nombreux types différents de vannes et d'actionneurs utilisés dans les applications de distribution d'eau.

EAUX USÉES
L'autre face de l'eau potable douce entrant dans une installation ou une structure est le rejet des eaux usées ou des égouts. Ces conduites collectent tous les déchets liquides et solides et les dirigent vers une station d'épuration. Ces stations d'épuration sont équipées de nombreuses canalisations basse pression et de vannes pour effectuer leur sale boulot. Les exigences relatives aux vannes d'eaux usées sont souvent beaucoup plus souples que celles du service d'eau potable. Les clapets anti-retour et les vannes à guillotine sont les choix les plus courants pour ce type de service. Les vannes standard utilisées dans ce service sont fabriquées conformément aux spécifications de l'AWWA.

INDUSTRIE ÉLECTRIQUE
La majeure partie de l'électricité produite aux États-Unis est produite dans des centrales à vapeur utilisant des combustibles fossiles et des turbines à grande vitesse. En découvrant une centrale électrique moderne, on découvre des réseaux de tuyauterie à haute pression et haute température. Ces conduites principales sont les plus critiques dans le processus de production d'électricité à vapeur.

Les vannes à guillotine restent un choix privilégié pour les applications tout ou rien des centrales électriques, bien que des vannes à soupape spéciales en Y soient également disponibles. Les vannes à boisseau sphérique hautes performances pour applications critiques gagnent en popularité auprès de certains concepteurs de centrales électriques et s'imposent dans un secteur autrefois dominé par les vannes linéaires.

La métallurgie est essentielle pour les vannes des applications énergétiques, en particulier celles fonctionnant dans des plages de pression et de température supercritiques ou ultra-supercritiques. Les alliages F91, F92 et C12A, ainsi que plusieurs Inconel et alliages d'acier inoxydable, sont couramment utilisés dans les centrales électriques actuelles. Les classes de pression comprennent 1 500, 2 500 et, dans certains cas, 4 500. La nature modulante des centrales électriques de pointe (celles qui fonctionnent uniquement selon les besoins) sollicite fortement les vannes et la tuyauterie, exigeant des conceptions robustes pour gérer les combinaisons extrêmes de cycles, de température et de pression.
En plus des vannes à vapeur principales, les centrales électriques sont équipées de canalisations auxiliaires, peuplées d'une myriade de vannes à guillotine, à soupape, de clapets anti-retour, de vannes papillon et de vannes à boisseau sphérique.

Les centrales nucléaires fonctionnent selon le même principe de turbine à vapeur et à grande vitesse. La principale différence réside dans le fait que, dans une centrale nucléaire, la vapeur est produite par la chaleur issue du processus de fission. Les vannes des centrales nucléaires sont similaires à celles des centrales à combustible fossile, à l'exception de leur origine et de l'exigence supplémentaire d'une fiabilité absolue. Les vannes nucléaires sont fabriquées selon des normes extrêmement strictes, et les documents de qualification et d'inspection couvrent des centaines de pages.

PRODUCTION DE PÉTROLE ET DE GAZ
Les puits et les installations de production de pétrole et de gaz sont de grands utilisateurs de vannes, dont de nombreuses vannes robustes. Bien que les giclées de pétrole à des centaines de mètres de hauteur ne soient plus probables, l'image illustre la pression potentielle du pétrole et du gaz souterrains. C'est pourquoi des têtes de puits ou des arbres de Noël sont placés au sommet de la longue colonne de conduites d'un puits. Ces assemblages, composés de vannes et de raccords spéciaux, sont conçus pour supporter des pressions supérieures à 10 000 psi. Bien que rares sur les puits creusés à terre de nos jours, ces pressions extrêmement élevées sont fréquentes sur les puits offshore profonds.

La conception des équipements de tête de puits est couverte par les spécifications API, telles que la spécification 6A (Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment). Les vannes de la spécification 6A sont conçues pour des pressions extrêmement élevées et des températures modérées. La plupart des arbres de Noël sont équipés de vannes-vannes et de vannes à soupape spéciales appelées duse. Ces vannes servent à réguler le débit du puits.

Outre les têtes de puits elles-mêmes, de nombreuses installations auxiliaires équipent un champ pétrolier ou gazier. Les équipements de traitement destinés au prétraitement du pétrole ou du gaz nécessitent un certain nombre de vannes. Ces vannes sont généralement en acier au carbone de classe inférieure.

Il arrive parfois qu'un fluide hautement corrosif, le sulfure d'hydrogène, soit présent dans le pétrole brut. Ce produit, également appelé gaz acide, peut être mortel. Pour surmonter les défis posés par le gaz acide, il est nécessaire de recourir à des matériaux spéciaux ou à des techniques de traitement conformes à la spécification internationale NACE MR0175.

INDUSTRIE OFFSHORE
Les systèmes de tuyauterie des plateformes pétrolières offshore et des installations de production comportent une multitude de vannes conçues selon des spécifications variées pour répondre aux nombreux défis de régulation des débits. Ces installations comprennent également diverses boucles de contrôle et dispositifs de décharge de pression.

Pour les installations de production pétrolière, le cœur de l'infrastructure est le système de canalisations de récupération de pétrole ou de gaz. Bien qu'ils ne soient pas toujours intégrés à la plateforme elle-même, de nombreux systèmes de production utilisent des arbres de Noël et des canalisations fonctionnant à des profondeurs inhospitalières de 3 000 mètres ou plus. Ces équipements de production sont construits selon les normes rigoureuses de l'American Petroleum Institute (API) et sont référencés dans plusieurs pratiques recommandées (PR) de l'API.

Sur la plupart des grandes plateformes pétrolières, des procédés supplémentaires sont appliqués au fluide brut provenant de la tête de puits. Il s'agit notamment de séparer l'eau des hydrocarbures et le gaz et les liquides de gaz naturel du flux de fluide. Ces systèmes de tuyauterie post-sapin de Noël sont généralement construits selon les codes de tuyauterie B31.3 de l'American Society of Mechanical Engineers, les vannes étant conçues conformément aux spécifications API, telles que les normes API 594, API 600, API 602, API 608 et API 609.

Certains de ces systèmes peuvent également être équipés de vannes à guillotine, à bille et de clapets antiretour API 6D. Comme les pipelines de la plateforme ou du navire de forage sont internes à l'installation, les exigences strictes d'utilisation de vannes API 6D pour les pipelines ne s'appliquent pas. Bien que plusieurs types de vannes soient utilisés dans ces systèmes de tuyauterie, le type de vanne privilégié est le robinet à boisseau sphérique.

PIPELINES
Bien que la plupart des pipelines soient invisibles, leur présence est généralement évidente. De petits panneaux indiquant « oléoduc » sont un indicateur évident de la présence de conduites de transport souterraines. Ces pipelines sont équipés de nombreuses vannes importantes sur toute leur longueur. Des vannes d'arrêt d'urgence sont installées à intervalles réguliers, conformément aux normes, codes et lois. Ces vannes ont pour fonction essentielle d'isoler une section du pipeline en cas de fuite ou de maintenance.

Le long du tracé d'un pipeline, on trouve également des installations où la conduite émerge du sol et permet l'accès à la conduite. Ces stations abritent des équipements de lancement de racleurs, constitués de dispositifs insérés dans les canalisations pour inspecter ou nettoyer la conduite. Ces stations de lancement de racleurs comportent généralement plusieurs vannes, à guillotine ou à boule. Toutes les vannes d'un réseau de canalisations doivent être à passage intégral (ouverture totale) pour permettre le passage des racleurs.

Les pipelines ont également besoin d'énergie pour lutter contre les frottements et maintenir la pression et le débit. On utilise des stations de compression ou de pompage, semblables à des versions miniatures d'une usine de traitement, sans les hautes tours de craquage. Ces stations abritent des dizaines de vannes, de robinets-vannes et de clapets anti-retour.
Les pipelines eux-mêmes sont conçus conformément à diverses normes et codes, tandis que les vannes de pipeline suivent les vannes de pipeline API 6D.
Il existe également des canalisations plus petites qui alimentent les habitations et les bâtiments commerciaux. Ces conduites fournissent l'eau et le gaz et sont protégées par des vannes d'arrêt.
Les grandes municipalités, notamment dans le nord des États-Unis, fournissent de la vapeur pour le chauffage des clients commerciaux. Ces conduites d'alimentation en vapeur sont équipées de diverses vannes pour contrôler et réguler l'alimentation en vapeur. Bien que le fluide utilisé soit de la vapeur, les pressions et températures sont inférieures à celles des centrales électriques. Différents types de vannes sont utilisés pour ce service, bien que la célèbre vanne à boisseau reste un choix populaire.

RAFFINERIE ET ​​PÉTROCHIMIE
Les vannes de raffinerie représentent la plus grande part de l'utilisation industrielle de vannes. Les raffineries utilisent des fluides corrosifs et, dans certains cas, des températures élevées.
Ces facteurs déterminent la manière dont les vannes sont construites conformément aux spécifications de conception API, telles que API 600 (robinets-vannes), API 608 (robinets à boisseau sphérique) et API 594 (clapets anti-retour). En raison des conditions d'utilisation difficiles auxquelles sont soumises bon nombre de ces vannes, une tolérance à la corrosion supplémentaire est souvent nécessaire. Cette tolérance se traduit par des épaisseurs de paroi plus importantes, spécifiées dans les documents de conception API.

On trouve pratiquement tous les principaux types de vannes en abondance dans une grande raffinerie classique. L'omniprésente vanne à guillotine reste la référence, avec la plus grande population, mais les vannes quart de tour occupent une part de marché de plus en plus importante. Parmi les produits quart de tour qui réussissent à percer dans ce secteur (autrefois dominé par les produits linéaires), on trouve les vannes papillon hautes performances à triple excentration et les vannes à boisseau sphérique à siège métallique.

Les vannes à guillotine, à soupape et anti-retour standard sont encore largement répandues et, en raison de la robustesse de leur conception et de l'économie de leur fabrication, elles ne disparaîtront pas de sitôt.
Les pressions nominales des vannes de raffinerie s'étendent de la classe 150 à la classe 1500, la classe 300 étant la plus populaire.
Les aciers au carbone ordinaires, tels que les nuances WCB (moulées) et A-105 (forgées), sont les matériaux les plus couramment utilisés dans les vannes destinées aux raffineries. De nombreuses applications de raffinage repoussent les limites de température des aciers au carbone ordinaires, et des alliages haute température sont préconisés pour ces applications. Les plus populaires sont les aciers au chrome-molybdène, tels que les aciers à 1,5 % de chrome, 2,5 % de chrome, 5 % de chrome et 9 % de chrome. Les aciers inoxydables et les alliages à haute teneur en nickel sont également utilisés dans certains procédés de raffinage particulièrement exigeants.

CHIMIQUE
L'industrie chimique est un grand utilisateur de vannes de tous types et de tous matériaux. Des petites usines de production aux immenses complexes pétrochimiques de la côte du Golfe du Mexique, les vannes constituent un élément essentiel des systèmes de tuyauterie des procédés chimiques.

La plupart des applications des procédés chimiques nécessitent des pressions inférieures à celles de nombreux procédés de raffinage et de production d'énergie. Les classes de pression les plus courantes pour les vannes et les tuyauteries des usines chimiques sont les classes 150 et 300. Les usines chimiques ont également été le principal moteur de la conquête de parts de marché par les vannes à boisseau sphérique face aux vannes linéaires au cours des 40 dernières années. La vanne à boisseau sphérique à siège élastique, avec son dispositif d'arrêt sans fuite, est parfaitement adaptée à de nombreuses applications des usines chimiques. Sa compacité est également une caractéristique appréciée.
Dans certaines usines et procédés chimiques, les vannes linéaires sont encore privilégiées. Dans ces cas, les vannes API 603, très répandues, aux parois plus fines et plus légères, constituent généralement le choix de vannes à guillotine ou à soupape. Le contrôle de certains produits chimiques est également assuré efficacement par des vannes à membrane ou à manchon.
En raison de la nature corrosive de nombreux produits chimiques et procédés de fabrication, le choix du matériau est crucial. Le matériau de référence est l'acier inoxydable austénitique 316/316L. Ce matériau est efficace pour lutter contre la corrosion due à de nombreux fluides parfois nocifs.

Pour certaines applications corrosives plus exigeantes, une protection renforcée est nécessaire. D'autres nuances d'acier inoxydable austénitique hautes performances, telles que les 317, 347 et 321, sont souvent choisies dans ces situations. D'autres alliages sont parfois utilisés pour contrôler les fluides chimiques, notamment le Monel, l'alliage 20, l'Inconel et le 17-4 PH.

SÉPARATION DU GNL ET DU GAZ
Le gaz naturel liquéfié (GNL) et les procédés de séparation du gaz nécessitent des canalisations volumineuses. Ces applications nécessitent des vannes capables de fonctionner à de très basses températures cryogéniques. L'industrie du GNL, en pleine croissance aux États-Unis, cherche constamment à moderniser et à améliorer le procédé de liquéfaction du gaz. À cette fin, les canalisations et les vannes sont devenues beaucoup plus grandes et les exigences de pression ont été renforcées.

Cette situation a obligé les fabricants de vannes à développer des conceptions répondant à des exigences plus strictes. Les vannes quart de tour à boisseau sphérique et papillon sont très répandues pour le GNL, l'acier inoxydable 316 étant le matériau le plus utilisé. La classe ANSI 600 constitue la pression maximale habituelle pour la plupart des applications GNL. Bien que les vannes quart de tour soient les plus courantes, on trouve également des vannes à guillotine, des vannes à soupape et des clapets anti-retour dans les usines.

La séparation des gaz consiste à décomposer le gaz en ses éléments de base. Par exemple, les méthodes de séparation de l'air produisent de l'azote, de l'oxygène, de l'hélium et d'autres gaz traces. La très basse température du procédé nécessite de nombreuses vannes cryogéniques.

Les usines de GNL et de séparation de gaz sont équipées de vannes basse température qui doivent rester opérationnelles dans ces conditions cryogéniques. Cela signifie que le système de garniture de la vanne doit être surélevé par rapport au fluide à basse température grâce à une colonne de gaz ou de condensation. Cette colonne de gaz empêche le fluide de former une boule de glace autour de la garniture, ce qui empêcherait la tige de la vanne de tourner ou de remonter.

BÂTIMENTS COMMERCIAUX
Les bâtiments commerciaux nous entourent, mais à moins de prêter une attention particulière à leur construction, nous n’avons que peu d’indices sur la multitude d’artères fluides cachées dans leurs murs de maçonnerie, de verre et de métal.

L'eau est un dénominateur commun à presque tous les bâtiments. Toutes ces structures comportent divers systèmes de tuyauterie transportant de nombreuses combinaisons de composés hydrogène/oxygène sous forme de fluides potables, d'eaux usées, d'eau chaude, d'eaux grises et de produits de protection incendie.

Pour la survie des bâtiments, les systèmes d'incendie sont essentiels. La protection incendie des bâtiments est presque toujours alimentée en eau propre. Pour être efficaces, les systèmes d'eau d'incendie doivent être fiables, avoir une pression suffisante et être bien répartis dans l'ensemble de la structure. Ces systèmes sont conçus pour se mettre automatiquement sous tension en cas d'incendie.
Les immeubles de grande hauteur nécessitent la même pression d'eau aux étages supérieurs qu'aux étages inférieurs. Il est donc nécessaire d'utiliser des pompes et des canalisations haute pression pour acheminer l'eau vers le haut. Les canalisations sont généralement de classe 300 ou 600, selon la hauteur du bâtiment. Tous les types de vannes sont utilisés dans ces applications ; toutefois, leur conception doit être approuvée par Underwriters Laboratories ou Factory Mutual pour les conduites d'incendie principales.

Les mêmes classes et types de vannes que celles utilisées pour les vannes de service d'incendie sont utilisées pour la distribution d'eau potable, bien que le processus d'approbation ne soit pas aussi strict.
Les systèmes de climatisation commerciale présents dans les grandes structures commerciales telles que les immeubles de bureaux, les hôtels et les hôpitaux sont généralement centralisés. Ils sont équipés d'une grande unité de refroidissement ou d'une chaudière pour refroidir ou chauffer le fluide utilisé pour transférer le froid ou la haute température. Ces systèmes doivent souvent utiliser des réfrigérants tels que le R-134a, un hydrofluorocarbure, ou, dans le cas des grands systèmes de chauffage, de la vapeur. Grâce à la taille compacte des vannes papillon et à boisseau sphérique, ces types sont devenus populaires dans les systèmes de refroidissement CVC.

Du côté de la vapeur, certaines vannes quart de tour ont fait leur chemin, mais de nombreux plombiers utilisent encore des robinets-vannes linéaires et des robinets à soupape, notamment si la tuyauterie nécessite des extrémités soudées bout à bout. Pour ces applications de vapeur modérée, l'acier a remplacé la fonte en raison de sa soudabilité.

Certains systèmes de chauffage utilisent de l'eau chaude plutôt que de la vapeur comme fluide de transfert. Ces systèmes sont particulièrement adaptés aux vannes en bronze ou en fonte. Les vannes quart de tour à boisseau sphérique et papillon à siège élastique sont très populaires, bien que certaines conceptions linéaires soient encore utilisées.

CONCLUSION
Bien que les applications des soupapes mentionnées dans cet article ne soient pas toujours visibles lors d'une visite chez Starbucks ou chez grand-mère, certaines soupapes essentielles sont toujours présentes. Le moteur de la voiture comporte même des soupapes permettant d'accéder à ces organes, comme celles du carburateur qui contrôlent le débit de carburant entrant dans le moteur, et celles du moteur qui contrôlent le débit d'essence entrant et sortant dans les pistons. Et si ces soupapes ne sont pas suffisamment présentes dans notre quotidien, sachez que notre cœur bat régulièrement grâce à quatre organes vitaux de régulation du débit.

Ceci n'est qu'un autre exemple de la réalité : les valves sont vraiment partout. VM
La deuxième partie de cet article aborde d'autres secteurs d'activité où les vannes sont utilisées. Consultez www.valvemagazine.com pour en savoir plus sur les pâtes et papiers, les applications marines, les barrages et l'énergie hydroélectrique, l'énergie solaire, la sidérurgie, l'aérospatiale, la géothermie, ainsi que la brasserie et la distillation artisanales.

GREG JOHNSON est président de United Valve (www.unitedvalve.com) à Houston. Il est rédacteur collaborateur du magazine VALVE, ancien président du Valve Repair Council et membre actuel du conseil d'administration du VRC. Il siège également au comité Éducation et Formation de la VMA, est vice-président du comité Communication de la VMA et ancien président de la Manufacturers Standardization Society.