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.