Où les vannes sont utilisées : partout !

08 novembre 2017 Écrit par Greg Johnson

Les vannes peuvent être trouvées presque partout aujourd'hui : dans nos maisons, sous la rue, dans les bâtiments commerciaux et dans des milliers d'endroits dans les centrales électriques et hydrauliques, les usines de papier, les raffineries, les usines chimiques et autres installations industrielles et infrastructurelles.
L'industrie des vannes est véritablement vaste, avec des segments allant de la distribution d'eau à l'énergie nucléaire en passant par le pétrole et le gaz en amont et en aval. Chacune de ces industries utilisatrices finales utilise certains types de vannes de base ; cependant, les détails de construction et les matériaux sont souvent très différents. Voici un échantillon :

TRAVAUX D'EAU
Dans le monde de la distribution d'eau, les pressions sont presque toujours relativement faibles et les températures ambiantes. Ces deux faits d'application permettent un certain nombre d'éléments de conception de vanne que l'on ne trouverait pas sur des équipements plus exigeants tels que les vannes de vapeur haute température. La température ambiante du service d'eau permet l'utilisation d'élastomères et de joints en caoutchouc non adaptés ailleurs. Ces matériaux souples permettent d'équiper les vannes d'eau pour sceller hermétiquement les gouttes.

Une autre considération concernant les vannes de service d’eau est le choix des matériaux de construction. Les fontes moulées et ductiles sont largement utilisées dans les systèmes d'eau, en particulier dans les conduites de grand diamètre extérieur. Les très petites conduites peuvent être très bien gérées avec des matériaux de valve en bronze.

Les pressions que voient la plupart des vannes d’aqueduc sont généralement bien inférieures à 200 psi. Cela signifie que des conceptions à parois plus épaisses et à pression plus élevée 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 de longs aqueducs proches de la source de pression. Parfois, des vannes d'eau à plus haute pression se trouvent également 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
Le revers de la médaille de l’eau potable fraîche entrant dans une installation ou une structure est le rejet des eaux usées ou des égouts. Ces lignes collectent tous les déchets liquides et solides et les dirigent vers une station d’épuration. Ces usines de traitement disposent de nombreuses canalisations et vannes basse pression pour effectuer leur « sale boulot ». Dans de nombreux cas, les exigences relatives aux vannes d'évacuation des eaux usées sont beaucoup plus clémentes que celles relatives au service d'eau propre. Les portails en fer et les clapets anti-retour sont les choix les plus populaires pour ce type de service. Les vannes standard de ce service sont construites conformément aux spécifications 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 ouvrant le capot d’une centrale électrique moderne, on aurait accès à des systèmes de canalisations à haute pression et à haute température. Ces conduites principales sont les plus critiques dans le processus de production d’énergie à vapeur.

Les vannes à vanne restent un choix principal pour les applications marche/arrêt des centrales électriques, bien que l'on trouve également des vannes à soupape à motif en Y à usage spécial. Les vannes à bille hautes performances destinées aux services critiques gagnent en popularité auprès de certains concepteurs de centrales électriques et font une percée dans ce monde autrefois dominé par les vannes linéaires.

La métallurgie est essentielle pour les vannes des applications de puissance, en particulier celles fonctionnant dans les plages de pression et de température de fonctionnement supercritiques ou ultra-supercritiques. Les F91, F92, C12A, ainsi que plusieurs alliages d'Inconel et d'acier inoxydable, sont couramment utilisés dans les centrales électriques d'aujourd'hui. Les classes de pression incluent 1 500, 2 500 et dans certains cas 4 500. La nature modulante des centrales électriques de pointe (celles qui fonctionnent uniquement en fonction des besoins) exerce également une pression énorme sur les vannes et la tuyauterie, nécessitant des conceptions robustes pour gérer la combinaison extrême de cyclage, de température et de pression. pression.
En plus des vannes à vapeur principales, les centrales électriques sont chargées de canalisations auxiliaires, peuplées d'une myriade de vannes à vanne, à soupape, anti-retour, papillon et à bille.

Les centrales nucléaires fonctionnent selon le même principe de turbine à vapeur/turbine à grande vitesse. La principale différence est que dans une centrale nucléaire, la vapeur est créée par la chaleur issue du processus de fission. Les vannes des centrales nucléaires sont similaires à celles de leurs cousines à combustible fossile, à l'exception de leur pedigree et de l'exigence supplémentaire d'une fiabilité absolue. Les vannes nucléaires sont fabriquées selon des normes extrêmement élevées, la documentation de qualification et d'inspection remplissant des centaines de pages.

PRODUCTION DE PÉTROLE ET DE GAZ
Les puits de pétrole et de gaz et les installations de production sont de gros utilisateurs de vannes, y compris de nombreuses vannes à usage intensif. Bien que des jets de pétrole crachant des centaines de pieds dans les airs ne soient plus susceptibles de se produire, l’image illustre la pression potentielle du pétrole et du gaz souterrains. C'est pourquoi les têtes de puits ou les arbres de Noël sont placés au sommet du long chapelet de tuyaux d'un puits. Ces ensembles, avec leur combinaison de vannes et de raccords spéciaux, sont conçus pour supporter des pressions supérieures à 10 000 psi. Bien que rarement rencontrées dans les puits creusés à terre de nos jours, les pressions extrêmement élevées se trouvent souvent dans les puits offshore profonds.

La conception des équipements de tête de puits est couverte par les spécifications API telles que 6A, Spécifications pour les équipements de tête de puits et d'arbre de Noël. Les vannes couvertes par 6A sont conçues pour des pressions extrêmement élevées mais des températures modestes. La plupart des arbres de Noël contiennent des robinets-vannes et des robinets à soupape spéciaux appelés starters. Les starters sont utilisés pour réguler le débit du puits.

Outre les têtes de puits elles-mêmes, de nombreuses installations auxiliaires peuplent 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 conçues pour les classes inférieures.

Parfois, un fluide hautement corrosif, le sulfure d’hydrogène, est présent dans le flux de pétrole brut. Ce matériau, également appelé gaz acide, peut être mortel. Pour relever les défis des gaz corrosifs, des matériaux spéciaux ou des techniques de traitement des matériaux conformes à la spécification internationale NACE MR0175 doivent être suivis.

INDUSTRIE OFFSHORE
Les systèmes de tuyauterie des plates-formes pétrolières offshore et des installations de production contiennent une multitude de vannes construites selon de nombreuses spécifications différentes pour relever la grande variété de défis de contrôle de débit. Ces installations contiennent également diverses boucles de système de contrôle et des dispositifs de décompression.

Pour les installations de production pétrolière, le cœur artériel est le véritable système de canalisations de récupération du pétrole ou du gaz. Bien que pas toujours sur la plate-forme elle-même, de nombreux systèmes de production utilisent des arbres de Noël et des systèmes de tuyauterie qui fonctionnent dans des profondeurs inhospitalières de 10 000 pieds ou plus. Cet équipement de production est construit selon de nombreuses normes rigoureuses de l'American Petroleum Institute (API) et référencé dans plusieurs pratiques recommandées (RP) de l'API.

Sur la plupart des grandes plateformes pétrolières, des processus supplémentaires sont appliqués au fluide brut provenant de la tête de puits. Celles-ci comprennent la séparation de l'eau des hydrocarbures et la séparation du gaz et des liquides de gaz naturel du flux de fluide. Ces systèmes de tuyauterie pour arbres de Noël sont généralement construits selon les codes de tuyauterie B31.3 de l'American Society of Mechanical Engineers avec des vannes conçues conformément aux spécifications de vanne API telles que API 594, API 600, API 602, API 608 et API 609.

Certains de ces systèmes peuvent également contenir des vannes à vanne, à bille et anti-retour API 6D. Étant donné que tous les pipelines sur la plate-forme ou le navire de forage sont internes à l'installation, les exigences strictes concernant l'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 à privilégier est le robinet à bille.

PIPELINES
Bien que la plupart des pipelines soient cachés, leur présence est généralement évidente. Les petits panneaux indiquant « oléoduc » sont un indicateur évident de la présence de canalisations de transport souterraines. Ces pipelines sont équipés de nombreuses vannes importantes sur toute leur longueur. Des vannes d'arrêt d'urgence pour les pipelines se trouvent à des intervalles spécifiés par les normes, les codes et les lois. Ces vannes remplissent le service vital d’isoler une section d’un pipeline en cas de fuite ou lorsqu’un entretien est requis.

Le long du tracé du pipeline se trouvent également des installations où la conduite émerge du sol et où un accès à la conduite est disponible. Ces stations abritent des équipements de lancement « racleurs », qui consistent en des dispositifs insérés dans les pipelines soit pour inspecter, soit pour nettoyer la ligne. Ces stations de lancement de racleurs contiennent généralement plusieurs vannes, à vanne ou à bille. Toutes les vannes d'un système de pipeline doivent être à passage intégral (ouverture totale) pour permettre le passage des racleurs.

Les pipelines ont également besoin d’énergie pour lutter contre la friction du pipeline et maintenir la pression et le débit de la canalisation. Des stations de compression ou de pompage qui ressemblent à de petites versions d'une usine de traitement sans les hautes tours de craquage sont utilisées. Ces stations abritent des dizaines de vannes à vanne, à bille et 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 pipelines plus petits qui alimentent les maisons et les structures commerciales. Ces conduites fournissent de l'eau et du gaz et sont protégées par des vannes d'arrêt.
Les grandes municipalités, notamment dans le nord des États-Unis, fournissent de la vapeur pour répondre aux besoins de chauffage des clients commerciaux. Ces conduites d'alimentation en vapeur sont équipées d'une variété de vannes pour contrôler et réguler l'alimentation en vapeur. Bien que le fluide soit de la vapeur, les pressions et les températures sont inférieures à celles rencontrées dans la production de vapeur dans les centrales électriques. Une variété de types de vannes sont utilisés dans ce service, bien que le vénérable robinet à tournant sphérique reste un choix populaire.

RAFFINERIE ET ​​PÉTROCHIMIE
Les vannes de raffinerie sont plus utilisées dans le secteur industriel que tout autre segment de vannes. Les raffineries abritent à la fois des fluides corrosifs et, dans certains cas, des températures élevées.
Ces facteurs dictent la manière dont les vannes sont construites conformément aux spécifications de conception de vannes API telles que API 600 (vannes à vanne), API 608 (vannes à bille) et API 594 (clapets anti-retour). En raison des conditions de service difficiles rencontrées par bon nombre de ces vannes, une marge de corrosion supplémentaire est souvent nécessaire. Cette tolérance se manifeste par des épaisseurs de paroi plus grandes qui sont spécifiées dans les documents de conception API.

Pratiquement tous les principaux types de vannes peuvent être trouvés en abondance dans une grande raffinerie typique. Le robinet-vanne omniprésent est toujours le roi de la colline avec la plus grande population, mais les robinets quart de tour prennent une part de plus en plus importante de leur marché. Les produits quart de tour qui ont fait une percée réussie dans cette industrie (qui était également autrefois dominée par les produits linéaires) comprennent les vannes papillon à triple excentration hautes performances et les vannes à boisseau sphérique à siège métallique.

Les robinets-vannes, robinets à soupape et clapets anti-retour standards sont encore répandus en masse et, en raison de leur conception robuste et de leur économie de fabrication, ils ne disparaîtront pas de si tôt.
Les pressions nominales des vannes de raffinerie couvrent toute la gamme allant de la classe 150 à la classe 1 500, la classe 300 étant la plus populaire.
Les aciers au carbone ordinaires, tels que les nuances WCB (coulées) et A-105 (forgés), sont les matériaux les plus populaires spécifiés et utilisés dans les vannes destinées aux raffineries. De nombreuses applications de processus de raffinage repoussent les limites de température supérieures des aciers au carbone ordinaires, et des alliages à températures plus élevées sont spécifiés pour ces applications. Les plus populaires d'entre eux sont les aciers au chrome/molybdène tels que 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr et 9 % Cr. 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 une grande utilisatrice de vannes de tous types et de tous matériaux. Des petites usines de traitement par lots aux immenses complexes pétrochimiques que l’on trouve sur la côte du Golfe, les vannes constituent une part importante des systèmes de tuyauterie des procédés chimiques.

La plupart des applications dans les processus chimiques ont une pression inférieure à celle de nombreux processus de raffinage et de production d'électricité. Les classes de pression les plus populaires pour les vannes et les canalisations des usines chimiques sont les classes 150 et 300. Les usines chimiques ont également été le principal moteur de la prise de part de marché que les vannes à bille ont arrachée aux vannes linéaires au cours des 40 dernières années. Le robinet à tournant sphérique à siège élastique, avec son arrêt sans fuite, convient parfaitement à de nombreuses applications dans les usines chimiques. La taille compacte du robinet à tournant sphérique est également une caractéristique appréciée.
Il existe encore certaines usines chimiques et processus industriels dans lesquels les vannes linéaires sont préférées. Dans ces cas, les vannes populaires conçues par API 603, avec des parois plus fines et des poids plus légers, sont généralement la vanne à vanne ou à soupape de choix. Le contrôle de certains produits chimiques est également réalisé efficacement à l’aide de vannes à membrane ou à manchon.
En raison de la nature corrosive de nombreux produits chimiques et processus de fabrication de produits chimiques, le choix des matériaux est essentiel. Le matériau de facto est la nuance 316/316L d’acier inoxydable austénitique. Ce matériau fonctionne bien pour lutter contre la corrosion causée par une multitude de fluides parfois nocifs.

Pour certaines applications corrosives plus difficiles, une protection plus importante est nécessaire. D'autres nuances d'acier inoxydable austénitique haute performance, telles que 317, 347 et 321, sont souvent choisies dans ces situations. D'autres alliages utilisés de temps en temps pour contrôler les fluides chimiques comprennent 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 processus nécessaires à la séparation des gaz reposent sur de vastes canalisations. Ces applications nécessitent des vannes capables de fonctionner à des températures cryogéniques très basses. L'industrie du GNL, en croissance rapide aux États-Unis, cherche continuellement à moderniser et à améliorer le processus de liquéfaction du gaz. À cette fin, les canalisations et les vannes sont devenues beaucoup plus grandes et les exigences en matière de pression ont été augmentées.

Cette situation a obligé les fabricants de vannes à développer des conceptions répondant à des paramètres plus stricts. Les vannes à bille et papillon quart de tour sont populaires pour le service du GNL, le 316ss [acier inoxydable] étant le matériau le plus populaire. ANSI Classe 600 est le plafond de pression habituel pour la plupart des applications de GNL. Bien que les produits quart de tour soient les types de vannes les plus populaires, les vannes à guillotine, à soupape et anti-retour peuvent également être trouvées dans les usines.

Le service de séparation des gaz consiste à diviser le gaz en ses éléments de base individuels. 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 nature du procédé à très basse température signifie que de nombreuses vannes cryogéniques sont nécessaires.

Les usines de GNL et de séparation de gaz disposent de vannes basse température qui doivent rester opérationnelles dans ces conditions cryogéniques. Cela signifie que le système de garniture de vanne doit être élevé à l'écart du fluide à basse température grâce à l'utilisation d'une colonne de gaz ou de condensation. Cette colonne de gaz empêche le fluide de former une boule de glace autour de la zone de garniture, ce qui empêcherait la tige de la vanne de tourner ou de monter.

BÂTIMENTS COMMERCIAUX
Les bâtiments commerciaux nous entourent, mais à moins d’être attentifs à leur construction, nous n’avons aucune idée de la multitude d’artères fluides cachées dans leurs murs de maçonnerie, de verre et de métal.

L’eau est un dénominateur commun à pratiquement tous les bâtiments. Toutes ces structures contiennent une variété de systèmes de canalisations transportant de nombreuses combinaisons de composés hydrogène/oxygène sous forme de fluides potables, d'eaux usées, d'eau chaude, d'eaux grises et de protection incendie.

Du point de vue de la survie d’un bâtiment, les systèmes d’incendie sont les plus critiques. La protection incendie dans les bâtiments est presque universellement alimentée et remplie d'eau propre. Pour que les systèmes d’eau d’incendie soient efficaces, ils doivent être fiables, avoir une pression suffisante et être idéalement situés dans toute la structure. Ces systèmes sont conçus pour se mettre automatiquement sous tension en cas d'incendie.
Les immeubles de grande hauteur nécessitent le même service de pression d'eau aux étages supérieurs qu'aux étages inférieurs. Des pompes et des canalisations à haute pression doivent donc être utilisées pour faire monter l'eau. Les systèmes de tuyauterie sont généralement de classe 300 ou 600, selon la hauteur du bâtiment. Tous les types de vannes sont utilisés dans ces applications ; cependant, les conceptions des vannes doivent être approuvées par Underwriters Laboratories ou Factory Mutual pour le service principal d'incendie.

Les mêmes classes et types de vannes que celles utilisées pour les vannes des services 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 commerciaux que l’on trouve dans les grandes structures commerciales telles que les immeubles de bureaux, les hôtels et les hôpitaux sont généralement centralisés. Ils disposent 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 gérer des réfrigérants tels que le R-134a, un hydrofluorocarbure, ou dans le cas de grands systèmes de chauffage, de la vapeur. En raison de la taille compacte des vannes papillon et à bille, ces types sont devenus populaires dans les systèmes de refroidissement CVC.

Du côté de la vapeur, certaines vannes quart de tour ont fait leur apparition, mais de nombreux ingénieurs en plomberie s'appuient encore sur des vannes linéaires et des vannes à soupape, en particulier si la tuyauterie nécessite des extrémités soudées bout à bout. Pour ces applications à vapeur modérée, l'acier a remplacé la fonte en raison de sa soudabilité.

Certains systèmes de chauffage utilisent de l’eau chaude au lieu de la vapeur comme fluide de transfert. Ces systèmes sont bien servis par des vannes en bronze ou en fer. Les vannes à bille et à papillon quart de tour à siège élastique sont très populaires, bien que certaines conceptions linéaires soient encore utilisées.

CONCLUSION
Bien que les preuves des applications des vannes mentionnées dans cet article ne soient pas visibles lors d'un voyage chez Starbucks ou chez grand-mère, certaines vannes très importantes sont toujours à proximité. Il y a même des soupapes dans le moteur de la voiture utilisées pour accéder à ces endroits, comme celles du carburateur qui contrôlent le débit de carburant dans le moteur et celles du moteur qui contrôlent le débit d'essence dans les pistons et à nouveau. Et si ces valves ne sont pas assez proches de notre vie quotidienne, considérons la réalité : notre cœur bat régulièrement grâce à quatre dispositifs vitaux de contrôle du débit.

Ceci n’est qu’un autre exemple de la réalité : les vannes sont vraiment partout. Machine virtuelle
La partie II de cet article couvre d'autres industries où des vannes sont utilisées. Rendez-vous sur www.valvemagazine.com pour en savoir plus sur les pâtes et papiers, les applications marines, les barrages et l'énergie hydroélectrique, l'énergie solaire, le fer et l'acier, l'aérospatiale, la géothermie et la brasserie et la distillation artisanales.

GREG JOHNSON est président de United Valve (www.unitedvalve.com) à Houston. Il est rédacteur en chef du magazine VALVE, ancien président du Valve Repair Council et actuel membre du conseil d'administration du VRC. Il siège également au comité d'éducation et de formation de la VMA, est vice-président du comité des communications de la VMA et est l'ancien président de la Manufacturers Standardization Society.