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Dimensionnement de l'actionneur

Dans le document MANUEL DE LA VANNE DE RÉGULATION (Page 111-114)

Chapitre 5 - Dimensionnement des vannes de régulation

5.11 Dimensionnement de l'actionneur

Les actionneurs sont sélectionnés en trouvant la correspondance entre la force nécessaire à la course de la vanne et un actionneur qui peut fournir cette force. Pour les vannes rotatives, un processus semblable vise à trouver la correspondance entre le couple nécessaire à la course de la vanne et un actionneur en mesure de fournir ce couple. Le même processus fondamental est utilisé pour les actionneurs pneumatiques, électriques et électro-hydrauliques.

5.11.1 Robinets à soupape

La force nécessaire pour actionner un robinet à soupape comprend :

la force nécessaire pour contrecarrer le déséquilibre statique du clapet de vanne

la force nécessaire à générer un effort sur le siège

la force nécessaire à contrecarrer la friction sur la garniture

des forces supplémentaires nécessaires à certaines applications ou constructions spécifiques

Force totale requise = A + B + C + D 5.11.1.1 Force déséquilibrée (A) La force déséquilibrée est le résultat de la pression du fluide à la fermeture et de manière générale elle peut être exprimée comme :

Force déséquilibrée = différentiel de pression net x surface de déséquilibre nette

La pratique fréquente consiste à considérer la pression maximum du manomètre en amont comme le différentiel de pression net, sauf si la conception du procédé assure toujours un retour de pression à la pression maximum en entrée. La surface de déséquilibre net est la surface de passage dans une conception à un siège à débit montant. Selon la configuration, la surface de déséquilibre peut devoir tenir compte de la zone de la tige. Pour les vannes équilibrées, il existe toujours une petite zone de déséquilibre. Cette donnée peut être fournie par le fabricant. Les zones de passage

Figure 5.2 Surfaces déséquilibrées type des vannes de régulation

Diamètre de passage Zone non équilibrée - vannes non

équilibrées à un siège Zone non équilibrée - Vannes équilibrées

1/4 0,028

-3/8 0,110

-1/2 0,196

-3/4 0,441

-1 0,785

-1-5/16 1,35 0,04

1-7/8 2,76 0,062

2-5/16 4,20 0,27

3-7/16 9,28 0,118

4-3/8 15,03 0,154

7 38,48 0,81

8 50,24 0,86

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type pour le débit montant des vannes équilibrées et les vannes déséquilibrées dans une configuration à débit descendant sont indiquées.

Figure 5.3 Effort sur le siège requis pour une meilleure durée de vie du siège sur les vannes à siège en métal de classe II-V

Charge sur le siège requise (LBP par pouce linéaire)

Chute de pression à la fermeture (PSI) 1000

(siège métallique pour performances optimales et vie en service chaudière eau d'alimentation)

Classe V (siège métallique avec équipement interne à joint C)

Classe IV

Classe de fuite Effort sur le siège recommandé Classe I Comme indiqué par la spécification

de l'utilisateur, aucun essai de fuite du fabricant requis Classe II 20 livres par pouce linéaire de la

circonférence du passage Classe III 40 livres par pouce linéaire de la

circonférence du passage

Classe IV

Siège (inférieur) standard uniquement

— 40 livres par pouce linéaire de la circonférence du passage (jusqu'à un diamètre de passage de 4-3/8 pouce) Siège (inférieur) standard uniquement

— 80 livres par pouce linéaire de la circonférence du passage (diamètre de

passage supérieur à 4-3/8 pouce) Classe V Siège métallique — déterminer les livres

par pouce linéaire de la circonférence de passage à partir de la Figure 5.2 Classe VI Siège métallique — 300 livres par pouce

linéaire de la circonférence du passage Figure 5.4 Effort sur le siège conseillé

5.11.1.2 Force nécessaire à générer l'effort sur le siège (B)

L'effort sur le siège, généralement exprimé en livres par pouce linéaire de la circonférence du passage, est déterminé par les exigences de fermeture. Utilisez les indications suivantes pour définir l'effort sur le siège requis pour répondre aux essais d'acceptation du fabricant pour les classes de fuite ANSI/FCI 70-2 et CEI 60534-4 de II à VI. Pour l'effort sur le siège conseillé, voir le tableau.

Au vu des différences de contrainte des conditions de service, ne considérez pas ces classements de fuite et les taux de fuite correspondants comme des indicateurs de performances sur le terrain. Pour prolonger la durée de vie du siège et les capacités de fermeture, utilisez un effort sur le siège plus grand que celui qui est conseillé. Les charges sur le siège conseillées sont indiquées à la Figure 5.3. Si l'étanchéité de la fermeture n'est pas une priorité, utilisez une classe de fuite inférieure.

5.11.1.3 Friction de la garniture (C)

La friction de garniture est définie par la taille de la tige, le type de garniture, et la quantité de charge de compression appliquée à la garniture par le procédé ou le boulonnage.

La friction de la garniture n'est pas reproductible à 100% du point de vue des caractéristiques de friction. Les conceptions de garniture à charge vive peuvent présenter des forces de friction importantes, en particulier si la garniture utilisée est en graphite. Le tableau illustre les valeurs de friction type de la garniture.

5.11.1.4 Autres forces (D)

D'autres forces pourraient s'avérer nécessaires pour assurer la course de la vanne, comme par exemple la rigidité du soufflet, des forces de friction inhabituelles de la part des joints ou des forces spéciales sur le siège si celui-ci est constitué de métal souple. Le fabricant doit fournir ces informations et les prendre en compte lors du dimensionnement de l'actionneur.

Figure 5.5 Valeurs type de friction de la garniture

Taille de la tige (pouces) Classe Garniture en PTFE

Ruban Graphite/Filament

Simple Double

5/16 Tous 20 30

-3/8

125

38 56

-150 125

250

-300 190

600 250

900 320

1500 380

1/2

125

50 75

-150 180

250

-300 230

600 320

900 410

1500 500

2500 590

5/8

125

63 95

-150 218

250

-300 290

600 400

3/4

125

75 112,5

-150 350

250

-300 440

600 660

900 880

1500 1100

2500 1320

1

300

100 150

610

600 850

900 1060

1500 1300

2500 1540

1-1/4

300

120 180

800

600 1100

900 1400

1500 1700

2500 2040

2

300

200 300

1225

600 1725

900 2250

1500 2750

2500 3245

Remarque : Les valeurs indiquées sont les forces de friction type que l'on rencontre lorsque l'on utilise les procédures de couplage par boulonnage de la bride de garniture standard

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5.11.2 Calculs de la force de l'actionneur Les actionneurs à membrane pneumatique assurent une force nette avec la pression d'air supplémentaire après la compression du ressort dans l'air à fermer, ou avec la précompression nette du ressort dans l'air à ouvrir. Cette donnée peut être calculée en livres par pouce carré du différentiel de pression.

Exemple : Supposez que 275 lbf. soient nécessaires pour fermer la vanne selon les calculs effectués à partir du processus décrit ci-dessus. Un actionneur air-pour-ouverture de 100 pouces carrés de surface de membrane et un réglage sur banc de 6 à 15 psig est une option disponible. La plage opératoire attendue est de 3 à 15 psig. La précompression peut être calculée comme la différence entre la valeur inférieure du réglage sur banc (6 psig) et le début de la plage opératoire (3 psig). Cette valeur de 3 psig est utilisée pour contrecarrer la précompression, de façon à ce que la force de précompression soit :

3 psig X 100 po carrés = 300 lbf.

Cette valeur est supérieure à la force nécessaire, ce choix est donc adéquat.

Les actionneurs à piston et ressorts sont dimensionnés de la même manière. La poussée des actionneurs à piston sans ressorts peut simplement être calculée comme suit :

(surface piston)(pression d'alimentation minimum) = poussée disponible (veiller à conserver la compatibilité des unités)

Dans certaines circonstances, un actionneur pourrait fournir une force trop importante et provoquer un gonflement de la tige, en la pliant suffisamment pour engendrer une fuite ou endommager les parties internes de la vanne. Cela pourrait se produire si l'actionneur est trop grand ou si la pression d'air maximum est plus importante que l'alimentation en air minimum disponible.

Le fabricant est normalement responsable du dimensionnement de l'actionneur, et il doit disposer de méthodes documentées de vérification des charges maximum de la tige.

Les fabricants publient également des données quant à la poussée de l'actionneur,

les surfaces utiles de la membrane et les données du ressort.

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