Chapitre 3 - Types de vannes et d'actionneurs
3.4 Garniture des vannes de régulation
les soufflets formés mécaniquement.
La conception à feuilles soudées (Figure 3.18) est caractérisée par une hauteur totale réduite de l'ensemble de garniture. La durée de vie peut être limitée en fonction des méthodes de fabrication et de la conception.
Figure 3.18 Soufflet à feuilles soudées
La conception formée mécaniquement (Figure 3.19) est plus grande, et elle est produite selon un processus de fabrication plus facile à reproduire, ce qui lui permet d'être plus fiable. n
Figure 3.19 Soufflets formés par action mécanique
3.4 Garniture des vannes de régulation
La plupart des vannes de régulation sont équipées de boîtes de garniture retenus et ajustés par une bride et des boulons (illustrés à la Figure 3.26). Différents matériaux peuvent être utilisés pour la garniture, en fonction des conditions de service prévues et si l'application doit répondre à des normes en matière de protection de l'environnement. De brèves descriptions et des indications quant aux conditions de fonctionnement pour différents matériaux communément utilisés, ainsi que des dispositions type du matériel de garniture, sont illustrées à la Figure 3.20.
3.4.1 Bague en V en PTFE
Matière plastique présentant des capacités propres aptes à minimiser la friction.
Bagues en V moulées comprimées par un ressort et auto-réglables dans la boîte à garniture. Il n'est pas nécessaire de lubrifier la garniture.
Résistante à la plupart des produits chimiques connus, sauf le métal alcalin en fusion.
Nécessite une finition de la tige extrême-ment lisse (de 2 à 4 micro-pouces RMS) pour assurer une bonne étanchéité.
Présentera des fuites si la surface de la tige ou de la garniture est endommagée.
Limites de la température recomman-dées : de -40 à 232°C (de -40 à 450°F)
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62
Non adaptée au service nucléaire, car le PTFE est facilement détruit par les radiations.
3.4.2 Graphite laminée et filament
Adaptée au service nucléaire à haute température ou lorsqu'une faible teneur en chlorure est souhaitable (Grade GTN).
Assure un fonctionnement sans fuites, une grande conductivité thermique, une grande durée de vie, mais produit une friction importante sur la tige et donc l'hystérésis.
Inattaquable par la plupart des fluides difficiles à manipuler et par les radiations élevées.
Plage de température adaptée : températures cryogéniques jusqu'à -198°C (-325°F)
La lubrification n'est pas nécessaire, mais une extension de chapeau ou une arcade en acier doivent être utilisées lorsque la température de la boîte à garniture dépasse 427°C (800°F).
3.4.3 Exigences règlementaires améri-caines pour les émissions fugitives Les émissions fugitives sont des émissions organiques volatiles sans source précise, générées par les fuites de l'équipement du procédé. Aux États-Unis, il a été estimé que les fuites de l'équipement atteignent plus de 400 millions de livres par an. Des règlementa-tions gouvernementales strictes,
dévelop-pées aux États-Unis, définissent la détection des fuites et les programmes de réparation (LDAR). Les vannes et les pompes ont été identifiées comme les principales sources d'émissions fugitives. Pour les vannes, ces fuites vers l'atmosphère sont dues aux défaillances des garnitures et des joints.
Les programmes LDAR demandent à l'industrie de surveiller toutes les vannes (de régulation et autres) à intervalles réguliers, définis en pourcentage de vannes qui présentent des fuites au-delà du niveau seuil de 500 ppmv (certaines villes appliquent des critères à 100 ppmv). Ce niveau de fuite est si faible que vous ne pouvez ni le voir, ni l'entendre. L'utilisation d'un équipement de surveillance sophistiqué portable est nécessaire à cette détection. La détection est effectuée en « reniflant » la zone de la garniture de vanne afin d'identifier les éventuelles fuites suivant un protocole établi par l'Agence de protection environnementale (Environmental Protection Agency, EPA). Ce processus est coûteux et contraignant pour l'industrie.
La règlementation permet de prolonger la période de surveillance d'un an s'il est prouvé que le système ne présente qu'un pourcen-tage très faible de vannes qui fuient (moins de 0,5% du parc de vannes total). La possibilité de prolonger la fréquence des mesures est illustrée à la Figure 3.21.
Les systèmes de garniture conçus selon les exigences de fuites extrêmement faibles prolongent également la durée de vie de l'ensemble de garnitures, ainsi que ses
Figure 3.20 Disposition du matériel de garniture pour les corps de vanne à robinet
Bague en V TFE standard Dispositions de garniture en graphite
Simple Double Fuite
1. Segment racleur supérieur 2. Support de garniture 3. Adaptateur femelle 4. Bague en V 5. Adaptateur mâle 6. Rondelle 7. Ressort 8. Boîte de garniture 9. Segment racleur inférieur
Emplacement de la rondelle sacrificielle en zinc, si nécessaire.
1
performances, ce qui permet d'atteindre l'objectif de la surveillance annuelle. Le système de garniture ENVIRO-SEAL en est un exemple. Ses joints spéciaux incorporent quatre principes de conception clé : la retenue du matériau souple du joint grâce à un composant anti-extrusion, le bon alignement de la tige de vanne ou de l'arbre dans l'orifice du chapeau (en appliquant une contrainte constante sur la garniture grâce à des ressorts Belleville), et la minimisation du nombre de joints d'étanchéité afin de réduire la consolidation, la friction et la dilatation thermique.
Le processus de sélection de vanne habituel consistait à choisir le type de vanne en fonction de ses capacités en termes de pression et de température, des caractéris-tiques du débit et de la compatibilité du matériau. Le choix du type de garniture de la tige de vanne reposait principalement sur la température de fonctionnement dans la région de la boîte à garniture. Parmi les matériaux disponibles figuraient le PTFE pour les températures inférieures à 93°C (200°F) et la graphite pour les applications à des températures plus élevées.
Aujourd'hui, le choix du système de garniture d'une vanne est devenu bien plus compliqué, et ce pour différentes raisons.
3.4.4 Normes globales en matière d'émissions fugitives
ISO 15848 est une norme de l'Organisation internationale de standardisation (ISO) qui traite des mesures, essais et procédures de qualification des émissions fugitives des vannes industrielles. ISO 15848-1 est un système de classement et de qualification
pour les essais de type des vannes, rédigé pour permettre de classer les performances de différents types d'émissions fugitives et de définir les essais de type permettant d'évaluer et de qualifier les vannes lorsque les normes sur les émissions fugitives sont spécifiées.
Les essais de type sont des essais de qualification effectués sur un type de vanne et de système de garniture ; la qualification obtenue est ensuite appliquée à toutes les vannes produites conformément à cette conception de garniture. Les essais de type se distinguent des essais sur la production de la norme ISO 15848-2, qui est un essai de qualification effectué au moment de l'assemblage et qui peut être dicté pour plus d'un ensemble de vanne.
La norme ISO 15848-1 traite aussi bien des vannes de régulation que des vannes d'isolement (marche/arrêt). Les exigences du cycle mécanique des deux types de vanne diffèrent, comme la montre la Figure 3.22.
Les cycles mécaniques sont effectués à 10%
de la course complète, dans les deux sens, à 50% de la position de course pour les vannes de régulation et sur la course complète pour les vannes d'isolement.
Comme les autres normes sur les émissions fugitives, la norme ISO 15848-1 définit en essai de qualification qui comprend plusieurs combinaisons de classes de fuite et de cycles mécaniques. Il existe plusieurs différences notables entre la norme ISO 15848-1 et les exigences gouvernementales d'origine américaine, telles que LDAR et la norme ANSI/
FCI 91-1 pour la qualification des joints des tiges de vannes de régulation.
< 2%, 500 ppm
> 2%, 500 ppm
> 1%, 500 ppm < 1%, 500 ppm
> 0.5%, 500 ppm < 0,5%, 500 ppm
LDAR mensuel
Plan d'amélioration de la qualité
LDAR trimestriel
LDAR semestriel
LDAR annuel
Figure 3.21 Fréquence de mesure pour les vannes de contrôle de produits chimiques organiques volatiles (VOC)
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64 Type de
vanne Classe du cycle mécanique
Figure 3.22 Exigences pour la qualification ISO 15848-1
La norme ANSI/FCI 91-1 demande la
« méthode du reniflage », conformément à la méthode EPA 21 pour une concentration relevée en « ppm » et prévoit 100ppm et 500ppm pour différentes classes de cycle, comme le montre la Figure 3.25.
La norme ISO 15848-1 spécifie les méthodes de mesure par le vide ou le rinçage « fuite totale » décrites à l'Annexe A de la norme.
La fuite est enregistrée sous forme de taux de fuite par taille de tige mesurée. Aucune de ces méthode ne peut être rattachée à la méthode EPA 21 (reniflage) et la norme ISO 15848-1 indique qu'aucune corrélation n'est prévue entre les classes d'étanchéité lorsque le fluide d'essai est l'hélium et le méthane.
Voir les figures 3.23 et 3.24.
ISO 15848-1 Étanchéité aux fuites
Classes
Taux de fuite mesuré (Annexe A) mg.s-1.m-1
du périmètre de la tige
atm.cm3.s-1.
mm-1 de diamètre de la tige AH < 10-5 < 1,76x10-7 BH < 10-4 < 1,76x10-6 CH < 10-2 < 1,76x10-4 Remarque : La classe de fuite A est généralement atteinte uniquement avec la conception à soufflets.
Remarque : Les classes de fuite sont marquées « BH » ou « BM », etc.
pour indiquer le fluide d'essai. « H » indique que l'essai a été effectué à l'hélium, conformément à la méthode de définition du taux de fuite. « M » indique que l'essai a été effectué du méthane, selon la méthode EPA 21.
Figure 3.23 Taux de fuite mesuré ISO 15848-1
ISO 15848-1 Classes d'étanchéité aux
fuites
Concentration de fuite mesurée (Annexe B Méthode du reniflage, conformément à la méthode EPA 21)
AM < 50ppm
BM < 100ppm
CM < 500ppm
Remarque : La classe de fuite A est généralement atteinte uniquement avec la conception à soufflets.
Remarque : Les classes de fuite sont marquées « BH » ou « BM », etc.
pour indiquer le fluide d'essai. « H » indique que l'essai a été effectué à l'hélium, conformément à la méthode de définition du taux de fuite. « M » indique que l'essai a été effectué du méthane, selon la méthode EPA 21.
Figure 3.24 Concentration de fuite mesurée ISO 15848-1
Aujourd'hui, le choix du système de garniture d'une vanne est devenu bien plus compliqué, et ce pour différentes raisons.
Les exigences en termes de contrôle des émissions (comme la loi Clean Air Act aux États-Unis et la norme ISO 15848 au niveau mondial) établissent par exemple des restrictions plus importantes sur les performances d'étanchéité. Les demandes constantes de meilleur rendement du procédé impliquent que le système de garniture de la vanne ne doit pas porter préjudice aux performances de la vanne. Et aujourd'hui, la tendance à établir des programmes de maintenance étendus exigent que les systèmes de garniture des vannes assurent l'étanchéité requise sur de plus longues périodes.
Au vu du grand nombre d'applications des vannes et des conditions de service dans l'industrie, ces variables (capacité d'étanchéi-té, niveaux de friction durant le fonctionne-ment, durée de vie) sont difficiles à quantifier et comparer. Les Figures 3.31 et 3.32 utilisent une approche ingénierisée afin de proposer une évaluation relative de l'applicabilité et des performances de la garniture. Mais avant tout, la compréhension des tableaux entend la clarification des noms commerciaux.
3.4.5 Garniture de bague en V simple en PTFE
La bague en V simple en PTFE utilise un ressort hélicoïdal entre la garniture et la bague de la boîte à garniture. Elle répond au critère 100 ppmv pour les vannes à tige montante, en partant du principe que la
Classe Cycles mécaniques
(100% course complète) Cycles thermiques Fuite du joint de tige maximum pour la méthode EPA 21
A1 100 000 3 100 ppm
A2 100 000 3 500 ppm
B1 25 000 3 100 ppm
B2 25 000 3 500 ppm
Figure 3.25 Récapitulatif de la classe de fuite FCI 91-1
pression ne dépasse pas 300 psi (20,7 bar) et que la température est comprise entre -18°C et 93°C (0°F et 200°F). La garniture par bague en V simple en PTFE ne répond pas aux critères d'émissions faibles des vannes rotatives. Elle offre de très bonnes perfor-mances en termes d'étanchéité et une friction minimum durant le fonctionnement. Voir la Figure 3,26.
Figure 3.26 Garniture à bague en V en PTFE
3.4.6 Garniture ENVIRO-SEAL PTFE Le système de garniture ENVIRO-SEAL PTFE est une méthode de garniture avancée qui utilise un ressort compact surchargé adapté aux applications respectueuses de l'environ-nement jusqu'à 750 psi et 232°C (51,7 bar et 450°F). Si l'on pense généralement qu'il s'agit d'un système de garniture qui réduit les émissions, la garniture ENVIRO-SEAL PTFE est également adaptée aux applications qui n'ont pas d'exigences environnementales mais une température et une pression élevées, avec l'avantage d'une durée de vie prolongée aussi
bien sur les vannes à tige montante que sur les vannes rotatives. Voir la Figure 3,27.
3.4.7 Garniture ENVIRO-SEAL Duplex Ce système de garniture spécial associe les capacités des composants en PTFE et en graphite pour assurer une faible friction, de faibles émissions, une solution testée contre les incendies (norme API 589) pour les applications dans les procédés dont la température peut atteindre 232°C (450°F) pour les vannes à tige montante. Les vannes rotatives ne sont pas disponibles équipées de la garniture ENVIRO-SEAL Duplex. Voir la Figure 3,28.
3.4.8 Garniture ISO-Seal PTFE
Ce système de garniture est conçu pour les pression qui dépassent la capacité de la garniture ENVIRO-SEAL PTFE pour le service respectueux de l'environnement. Il est disponible pour les vannes à tige montante et les vannes rotatives.
3.4.9 ENVIRO-SEAL Graphite ULF Ce système de garniture est principalement conçu pour les applications respectueuses de l'environnement et les températures supérieures à 232°C (450°F). Le système de garniture breveté ULF incorpore de très fines couches de PTFE dans les bagues de la garniture, ainsi que des rondelles en PTFE des deux côtés des bagues de garniture. Cette disposition stratégique du PTFE minimise les problèmes de contrôle, réduit la friction, améliore l'étanchéité et prolonge la durée de vie de l'ensemble de garniture. Voir la Figure 3,29.
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Figure 3.27 Système de garniture ENVIRO-SEAL PTFE
Support de garniture (acier inoxydable)
Lanternes (acier inoxydable)
Bague anti-extrusion (garni de PTFE)
Anneau d'étanchéité (PTFE) Bague anti-extrusion (garni de PTFE) Ressorts
(N07718-Inconel 718)
Rondelles anti-extrusion
Bague d'assise de garniture (acier inoxydable)
Figure 3.28 Système de garniture ENVIRO-SEAL Duplex (PTFE et Graphite)
Ensemble de garniture d'étanchéité à ressort
Fouloir
Fouloir
Rondelles de garniture
Douille Kit de garniture
PTFE-Carbone/PTFE
Lanternes
Garniture d'étanchéité en graphite
Anneau d'étanchéité
Figure 3.29 Système de garniture ENVIRO-SEAL Graphite ULF
Lubrifiant anti-usure
Ensemble de garniture à ressort
Rondelle de guidage
Rondelle de garniture
Rondelle de guidage Axe
Écrou de garniture
Bride de garniture
Bague de garniture
Bague de garniture
Bague d'assise de garniture
3.4.10 HIGH-SEAL Graphite ULF Identique au système de garniture ENVI-RO-SEAL graphite ULF, sous le fouloir de garniture, le système HIGH-SEAL utilise des ressorts Belleville de grand diamètre pour service intensif. Ces ressorts assurent une plus grande course du fouloir, et ils peuvent être préparés avec une échelle de charge afin de donner une indication visuelle de la charge et de l'usure de la garniture.
3.4.11 Garniture ISO-Seal Graphite Ce système de garniture est conçu pour les températures qui dépassent les capacités de la garniture ENVIRO-SEAL Graphite ULF. Il peut être utilisé de -46 à 400°C (-50 à 752°F) pour le service respectueux de l'environne-ment. Il est disponible pour les vannes à tige montante et les vannes rotatives.
3.4.12 ENVIRO-SEAL Graphite pour vannes rotatives
La garniture ENVIRO-SEAL graphite est conçue pour les applications respectueuses de l'environnement de -6 à 316°C (20 à 600°F) ou pour les applications où la prévention des incendies est un élément important. Elle peut être utilisée avec une pression allant jusqu'à 1500 psi (103 bar) en répondant au critère de fuite 100 ppmv EPA. La garniture peut être utilisée jusqu'à 371°C (700°F) si elle est utilisée dans les applications où le respect de l'environnement n'est pas une limite. Voir la Figure 3,30.
Figure 3.30 Système de garniture ENVIRO-SEAL Graphite pour vannes rotatives
3.4.13 Ruban en graphite pour les vannes rotatives
La garniture par ruban de graphite est conçue pour les applications où le respect de l'environnement n'est pas une limite, sur une vaste plage de température, de -198 à 538°C (-325 à 1000°F).
3.4.14 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour la tige montante
La Figure 3.31 compare différentes sélections de garnitures à tige montante et un
classement relatif des performances du joint, de la durée de vie et de la friction de la garniture pour les applications respectueuses de l'environnement. Le filament en graphite tressé et le double PTFE ne sont pas des solutions acceptables pour une étanchéité respectueuse de l'environnement.
3.4.15 Sélection de la garniture respectueuse de l'environnement pour les vannes rotatives
La Figure 3.32 s'applique aux vannes rotatives. Dans le cas des vannes rotatives, les dispositions de garniture en PTFE simple et ruban de graphite ne sont pas aussi perfor-mantes que les solutions d'étanchéité aux émission fugitives.
Le contrôle des émissions fugitives de la vanne et la réduction des frais encourus par l'industrie pour se conformer aux règlementa-tions sont possibles grâce à ces technologies d'étanchéité de la tige.
Si les systèmes de garniture ENVIRO-SEAL ont été spécifiquement conçus pour les
applications des émissions fugitives, ces technologies devraient également être prises en considération pour toutes les applications où les performances du joint et sa durée de vie constituent un problème ou une difficulté du point de vue des frais de maintenance. n