Où les vannes sont utilisées : Partout !

08 novembre 2017 Écrit par Greg Johnson

On trouve aujourd'hui des vannes quasiment partout : dans nos maisons, sous la rue, dans les bâtiments commerciaux et dans des milliers d'endroits au sein des centrales électriques et des usines de traitement des eaux, des papeteries, des raffineries, des usines chimiques et autres installations industrielles et d'infrastructures.
L'industrie des vannes est extrêmement diversifiée, avec des segments allant de la distribution d'eau à l'énergie nucléaire en passant par l'exploration et la production pétrolières et gazières. Chacun de ces secteurs utilisateurs finaux emploie certains types de vannes de base ; cependant, les détails de construction et les matériaux diffèrent souvent considérablement. En voici quelques exemples :

RÉSEAU D'EAU
Dans le domaine de la distribution d'eau, les pressions sont presque toujours relativement faibles et les températures ambiantes. Ces deux caractéristiques permettent d'utiliser des éléments de conception de vannes qui ne seraient pas présents sur des équipements plus exigeants, tels que les vannes à vapeur haute température. La température ambiante de l'eau en service autorise 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 pour les vannes de distribution d'eau est le choix des matériaux de construction. Les fontes et les fontes ductiles sont largement utilisées dans les réseaux d'eau, notamment pour les conduites de grand diamètre extérieur. Les conduites de très petit diamètre conviennent parfaitement aux vannes en bronze.

La plupart des vannes d'adduction d'eau sont soumises à des pressions bien inférieures à 200 psi. Par conséquent, des vannes à parois épaisses conçues pour des pressions plus élevées ne sont pas nécessaires. Cela étant dit, certaines vannes sont conçues pour supporter des pressions plus importantes, jusqu'à environ 300 psi. Ces applications concernent généralement les longs aqueducs situés à proximité de la source de pression. On trouve parfois également des vannes haute pression aux points de pression les plus élevés d'un barrage de grande hauteur.

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 traitement de l'eau.

EAUX USÉES
L'autre aspect de l'eau potable alimentant un bâtiment ou une structure est le traitement des eaux usées. Ces canalisations collectent tous les effluents liquides et solides et les acheminent vers une station d'épuration. Ces stations d'épuration sont équipées d'un vaste réseau de tuyauteries et de vannes basse pression pour effectuer ce traitement. Les exigences relatives aux vannes pour eaux usées sont souvent beaucoup moins contraignantes que celles pour l'eau potable. Les clapets anti-retour et les vannes à guillotine sont les plus couramment utilisés pour ce type d'application. Les vannes standard pour ce type d'application sont fabriquées conformément aux spécifications de l'AWWA.

INDUSTRIE DE L'ÉNERGIE
Aux États-Unis, la majeure partie de l'électricité est produite dans des centrales thermiques à vapeur utilisant des combustibles fossiles et des turbines à grande vitesse. En ouvrant le boîtier d'une centrale moderne, on découvre des réseaux de canalisations à haute pression et haute température. Ces conduites principales sont essentielles au processus de production d'électricité à partir de la vapeur.

Les vannes à guillotine restent le choix privilégié pour les applications marche/arrêt dans les centrales électriques, bien que l'on trouve également des vannes à globe à usage spécifique, de type Y. Les vannes à boisseau sphérique haute performance pour applications critiques gagnent en popularité auprès de certains concepteurs de centrales et s'imposent peu à peu dans ce monde autrefois dominé par les vannes linéaires.

La métallurgie est un facteur critique pour les vannes utilisées dans les applications de production d'énergie, notamment celles fonctionnant dans les plages de pression et de température supercritiques ou ultra-supercritiques. Les aciers F91, F92 et C12A, ainsi que plusieurs alliages d'Inconel et d'acier inoxydable, sont couramment utilisés dans les centrales électriques modernes. Les classes de pression comprennent 1500, 2500 et, dans certains cas, 4500. Le fonctionnement modulable des centrales de pointe (qui fonctionnent uniquement en fonction des besoins) soumet les vannes et la tuyauterie à des contraintes importantes, exigeant des conceptions robustes capables de supporter la combinaison extrême de cycles, de températures et de pressions.
En plus des vannes principales de vapeur, les centrales électriques sont équipées de nombreuses canalisations auxiliaires, comprenant une myriade de vannes à guillotine, à soupape, de non-retour, papillon et à bille.

Les centrales nucléaires fonctionnent selon le même principe de turbine à vapeur à grande vitesse. La principale différence réside dans le fait que, dans une centrale nucléaire, la vapeur est produite par la chaleur issue de la fission nucléaire. Les vannes des centrales nucléaires sont similaires à celles des centrales thermiques, à l'exception de leur conception et de l'exigence supplémentaire d'une fiabilité absolue. Les vannes nucléaires sont fabriquées selon des normes extrêmement rigoureuses, et la documentation relative à leur qualification et à leur inspection compte des centaines de pages.

PRODUCTION DE PÉTROLE ET DE GAZ
Les puits de pétrole et de gaz ainsi que les installations de production utilisent beaucoup de vannes, notamment des vannes haute pression. Bien que les jaillissements de pétrole à plusieurs dizaines de mètres de hauteur soient désormais improbables, l'image illustre la pression potentielle du pétrole et du gaz souterrains. C'est pourquoi des têtes de puits, aussi appelées arbres de Noël, sont placées au sommet de la longue colonne de production. Ces ensembles, composés de vannes et de raccords spéciaux, sont conçus pour supporter des pressions supérieures à 700 bars (10 000 psi). Si de telles pressions sont rares sur les puits terrestres actuels, elles sont fréquentes sur les puits en eaux profondes.

La conception des équipements de tête de puits est régie par les spécifications API, notamment la norme 6A, « Spécifications relatives aux équipements de tête de puits et d'arbre de Noël ». Les vannes couvertes par la norme 6A sont conçues pour des pressions extrêmement élevées et des températures modérées. La plupart des arbres de Noël comportent des vannes à guillotine et des vannes à globe spéciales appelées étrangleurs. Ces étrangleurs servent à réguler le débit du puits.

Outre les têtes de puits elles-mêmes, de nombreuses installations auxiliaires composent un champ pétrolier ou gazier. Les équipements de traitement servant au prétraitement du pétrole ou du gaz nécessitent plusieurs vannes. Ces vannes sont généralement en acier au carbone et conçues pour des classes de pression inférieures.

Il arrive que le pétrole brut contienne un fluide hautement corrosif, le sulfure d'hydrogène. Ce produit, également appelé gaz acide, peut être mortel. Pour contrer les risques liés au gaz acide, il est impératif d'utiliser des matériaux spéciaux ou des techniques de traitement conformes à la norme NACE International MR0175.

INDUSTRIE OFFSHORE
Les systèmes de tuyauterie des plateformes pétrolières et des installations de production offshore comportent une multitude de vannes conçues selon des spécifications très diverses afin de répondre aux nombreux défis posés par la régulation des débits. Ces installations comprennent également différents circuits de contrôle et des dispositifs de décharge de pression.

Dans les installations de production pétrolière, le système de tuyauterie d'extraction du pétrole ou du gaz constitue le cœur même du système. Bien que n'étant pas toujours situés sur la plateforme elle-même, de nombreux systèmes de production utilisent des têtes de puits et des réseaux de tuyauterie fonctionnant à des profondeurs extrêmes de 3 000 mètres, voire plus. Ces équipements de production sont construits selon de nombreuses 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, le fluide brut provenant de la tête de puits subit des traitements supplémentaires. Il s'agit notamment de séparer l'eau des hydrocarbures et de séparer le gaz et les liquides de gaz naturel du flux de fluide. Ces réseaux de tuyauterie, situés après la tête de puits, sont généralement construits conformément à la norme American Society of Mechanical Engineers B31.3, les vannes étant conçues selon les spécifications API telles que API 594, API 600, API 602, API 608 et API 609.

Certains de ces systèmes peuvent également comporter des vannes à guillotine, à boisseau sphérique et de non-retour conformes à la norme API 6D. Étant donné que les canalisations présentes sur la plateforme ou le navire de forage sont internes à l'installation, les exigences strictes relatives à l'utilisation de vannes API 6D pour les canalisations ne s'appliquent pas. Bien que plusieurs types de vannes soient utilisés dans ces systèmes de tuyauterie, la vanne à boisseau sphérique est privilégiée.

PIPELINES
Bien que la plupart des pipelines soient invisibles, leur présence est généralement repérable. 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 tout au long de leur parcours. Des vannes d'arrêt d'urgence sont installées à intervalles réguliers, conformément aux normes, codes et réglementations en vigueur. Ces vannes permettent d'isoler une section du pipeline en cas de fuite ou lors d'opérations de maintenance.

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

Les pipelines nécessitent également de l'énergie pour compenser les frottements et maintenir la pression et le débit. On utilise des stations de compression ou de pompage, semblables à des usines de traitement miniatures, mais sans les hautes tours de craquage. Ces stations abritent des dizaines de vannes à guillotine, à boisseau sphérique et de clapet anti-retour.
Les canalisations elles-mêmes sont conçues conformément à diverses normes et codes, tandis que les vannes de canalisation suivent la norme API 6D relative aux vannes de canalisation.
Il existe également des canalisations plus petites qui alimentent les maisons et les bâtiments commerciaux. 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 le chauffage des clients commerciaux. Ces conduites de vapeur sont équipées de divers types de vannes permettant de contrôler et de réguler le débit. Bien qu'il s'agisse de vapeur, les pressions et les températures y sont inférieures à celles rencontrées dans les centrales électriques. Différents types de vannes sont utilisés, mais la vanne à boisseau sphérique, un modèle éprouvé, reste un choix courant.

RAFFINERIE ET ​​PÉTROCHIMIE
Les vannes de raffinerie représentent la part la plus importante de l'utilisation des vannes industrielles. Les raffineries abritent des fluides corrosifs et, dans certains cas, des températures élevées.
Ces facteurs déterminent la conception des vannes conformément aux spécifications API, telles que API 600 (vannes à guillotine), API 608 (vannes à boisseau sphérique) et API 594 (clapets anti-retour). Compte tenu des conditions de service difficiles auxquelles sont soumises nombre de ces vannes, une surépaisseur de corrosion est souvent nécessaire. Cette surépaisseur se traduit par des épaisseurs de paroi plus importantes, spécifiées dans les documents de conception API.

Dans une grande raffinerie typique, on trouve pratiquement tous les principaux types de vannes. La vanne à guillotine, omniprésente, reste la plus répandue, mais les vannes quart de tour gagnent une part de marché de plus en plus importante. Parmi les produits quart de tour qui s'imposent dans ce secteur (autrefois dominé par les vannes linéaires), on trouve notamment les vannes papillon à triple excentration haute performance et les vannes à boisseau sphérique à siège métallique.

Les vannes à guillotine, à soupape et de non-retour standard sont encore très répandues et, grâce à la robustesse de leur conception et à leur coût de fabrication économique, elles ne disparaîtront pas de sitôt.
Les pressions nominales des vannes de raffinerie varient de la classe 150 à la classe 1500, la classe 300 étant la plus courante.
Les aciers au carbone ordinaires, tels que les nuances WCB (coulées) et A-105 (forgées), sont les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication des vannes destinées aux raffineries. De nombreuses applications de raffinage atteignent les limites de température des aciers au carbone ordinaires, et des alliages haute température sont alors requis. Parmi ceux-ci, les aciers au chrome-molybdène, tels que les aciers à 1,25 % Cr, 2,25 % Cr, 5 % Cr et 9 % Cr, sont les plus répandus. 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 consommatrice de vannes de tous types et de tous matériaux. Des petites unités de production par lots aux immenses complexes pétrochimiques du golfe du Mexique, les vannes constituent un élément essentiel des systèmes de tuyauterie des procédés chimiques.

La plupart des applications dans les procédés chimiques fonctionnent à 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 la tuyauterie des usines chimiques sont les classes 150 et 300. Ces mêmes usines ont été le principal moteur de la progression des vannes à boisseau sphérique, qui ont conquis des parts de marché au détriment des vannes linéaires au cours des 40 dernières années. La vanne à boisseau sphérique à siège élastique, avec son étanchéité parfaite, est parfaitement adaptée à de nombreuses applications en usine chimique. Sa compacité est également un atout majeur.
Dans certaines usines chimiques et certains procédés industriels, les vannes linéaires restent privilégiées. Dans ces cas, les vannes conformes à la norme API 603, avec leurs parois plus fines et leur poids plus léger, sont généralement les vannes à guillotine ou à soupape de choix. Le contrôle de certains produits chimiques est également assuré efficacement par des vannes à membrane ou à pincement.
En raison du caractère corrosif de nombreux produits chimiques et procédés de fabrication chimique, le choix des matériaux est crucial. L'acier inoxydable austénitique 316/316L est le matériau de référence. Il offre une excellente résistance à la corrosion par de nombreux fluides, parfois très agressifs.

Pour certaines applications corrosives plus exigeantes, une protection accrue est nécessaire. Dans ces cas, on privilégie souvent d'autres nuances d'acier inoxydable austénitique haute performance, telles que les aciers 317, 347 et 321. Parmi les autres alliages utilisés ponctuellement pour le contrôle des fluides chimiques, on peut citer le Monel, l'alliage 20, l'Inconel et le 17-4 PH.

SÉPARATION DU GNL ET DU GAZ
La production de gaz naturel liquéfié (GNL) et les procédés de séparation des gaz reposent sur d'importants réseaux de canalisations. Ces applications nécessitent des vannes capables de fonctionner à des températures cryogéniques très basses. L'industrie du GNL, en pleine expansion aux États-Unis, cherche constamment à moderniser et à améliorer le processus de liquéfaction du gaz. À cette fin, les canalisations et les vannes sont devenues beaucoup plus volumineuses et les exigences en matière de pression ont été revues à la hausse.

Cette situation a contraint les fabricants de vannes à concevoir des modèles répondant à des exigences plus strictes. Les vannes à boisseau sphérique et papillon à quart de tour sont couramment utilisées dans les applications GNL, l'acier inoxydable 316 étant le matériau le plus répandu. La pression limite habituelle pour la plupart des applications GNL est de classe ANSI 600. Bien que les vannes à quart de tour soient les plus courantes, on trouve également des vannes à guillotine, à soupape et des clapets anti-retour dans les installations.

Le service de séparation des gaz consiste à décomposer un gaz en ses éléments constitutifs. Par exemple, la séparation de l'air permet d'obtenir de l'azote, de l'oxygène, de l'hélium et d'autres gaz à l'état de traces. La très basse température du procédé nécessite l'utilisation de nombreuses vannes cryogéniques.

Les usines de GNL et de séparation de gaz sont équipées de vannes basse température qui doivent rester fonctionnelles dans ces conditions cryogéniques. Cela implique 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 la formation d'une boule de glace autour de la garniture, ce qui bloquerait la rotation ou la remontée de la tige de la vanne.

BÂTIMENTS COMMERCIAUX
Les bâtiments commerciaux nous entourent, mais à moins d'y prêter une attention particulière lors de leur construction, nous n'avons que peu d'idées des multiples artères vitales dissimulées dans leurs murs de maçonnerie, de verre et de métal.

L'eau est un élément commun à presque tous les bâtiments. Toutes ces structures contiennent divers réseaux de canalisations transportant différentes combinaisons de ce composé hydrogène/oxygène sous forme d'eau potable, d'eaux usées, d'eau chaude, d'eaux grises et d'eau pour la protection incendie.

Du point de vue de la sécurité incendie des bâtiments, les systèmes de protection incendie sont primordiaux. Dans la quasi-totalité des bâtiments, ces systèmes sont alimentés en eau potable. Pour être efficaces, ils doivent être fiables, avoir une pression suffisante et être facilement accessibles dans tout le bâtiment. Ces systèmes sont conçus pour se déclencher automatiquement en cas d'incendie.
Les immeubles de grande hauteur nécessitent la même pression d'eau aux étages supérieurs qu'aux étages inférieurs ; des pompes et des canalisations haute pression sont donc indispensables pour acheminer l'eau vers le haut. Ces réseaux de canalisations sont généralement de classe 300 ou 600, selon la hauteur du bâtiment. Tous les types de vannes sont utilisés ; cependant, leur conception doit être homologuée par les Laboratoires des assureurs (UL) ou Factory Mutual pour la protection incendie.

Les mêmes classes et types de vannes utilisées pour les vannes de lutte contre l'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 installés dans les grands bâtiments tels que les immeubles de bureaux, les hôtels et les hôpitaux sont généralement centralisés. Ils comportent un groupe frigorifique ou une chaudière de grande capacité pour refroidir ou chauffer le fluide frigorigène utilisé pour la conversion du froid ou de la chaleur. Ces systèmes utilisent souvent des fluides frigorigènes comme le R-134a, un hydrofluorocarbure, ou, dans le cas des grands systèmes de chauffage, de la vapeur. Grâce à leur format compact, les vannes papillon et à bille sont devenues des modèles courants dans les systèmes de refroidissement CVC.

Dans le domaine de la vapeur, si certaines vannes quart de tour se sont répandues, de nombreux plombiers privilégient encore les vannes à guillotine et à soupape, notamment lorsque la tuyauterie nécessite des extrémités soudées bout à bout. Pour ces applications de vapeur modérées, 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 caloporteur. Ces systèmes sont parfaitement adaptés aux vannes en bronze ou en fonte. Les vannes à boisseau sphérique et papillon à quart de tour sont très répandues, bien que certains modèles linéaires soient encore utilisés.

CONCLUSION
Bien que les applications des soupapes mentionnées dans cet article ne soient pas forcément visibles lors d'une pause-café ou d'une visite chez grand-mère, certaines soupapes essentielles sont toujours à proximité. On en trouve même dans le moteur d'une voiture, comme celles du carburateur qui contrôlent l'arrivée de carburant et celles du moteur qui contrôlent le flux d'essence vers les pistons et son évacuation. Et si ces soupapes ne vous semblent pas déjà suffisamment présentes dans notre quotidien, pensez au fait que notre cœur bat régulièrement grâce à quatre organes vitaux de régulation des fluides.

Ceci n'est qu'un exemple de plus qui confirme que les vannes sont véritablement omniprésentes. VM
La deuxième partie de cet article aborde d'autres secteurs d'activité utilisant des vannes. Consultez le site www.valvemagazine.com pour en savoir plus sur les industries des pâtes et papiers, marine, hydroélectrique, solaire, sidérurgique, aérospatiale, géothermique, ainsi que la production artisanale de bières et de spiritueux.

Greg Johnson est président d'United Valve (www.unitedvalve.com) à Houston. Il est rédacteur collaborateur pour le magazine VALVE, ancien président du Valve Repair Council et membre actuel du conseil d'administration de ce dernier. Il siège également au comité de formation de la VMA, est vice-président du comité des communications de la VMA et ancien président de la Manufacturers Standardization Society.