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Sep 11, 2023

Considérations clés dans la spécification des vannes de régulation

1 mars 2017 | Par Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

1 mars 2017 | Par Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

Suivez ces conseils pour spécifier une vanne de régulation avec précision pendant la phase de conception

Les vannes de régulation sont l'un des instruments les plus courants et les plus importants utilisés dans les industries de procédés chimiques (CPI). Ils contribuent à assurer un fonctionnement fluide et efficace des installations de traitement, en atteignant les paramètres de fonctionnement souhaités au moyen de la régulation du débit de fluide dans les conduites connectées. On ne saurait trop insister sur la nécessité de spécifier correctement les vannes de régulation pendant la phase de conception d'une usine.

La taille d'une vanne de régulation est dérivée d'un paramètre appelé coefficient de débit ( C v ), qui est défini comme le débit volumétrique (en gal/min) d'eau à travers la vanne à 60 ° F lorsque la chute de pression à travers la vanne est de 1 psi ( C v est calculé à l'aide de la formule donnée dans la norme ISA-75.01.01-2007). Les ingénieurs de procédés doivent tenir compte des aspects suivants lors de la spécification des vannes de régulation, afin de s'assurer que les vannes fabriquées par les fournisseurs fonctionnent conformément aux exigences.

1. Contrôlabilité. Lors de la spécification d'une vanne de régulation pendant la phase de conception, l'ingénieur de procédé doit s'assurer que la contrôlabilité de la vanne doit être bonne sur toute la plage entre les débits minimum et maximum. Cela peut être fait en estimant le C v maximum et le C v minimum qui correspondent respectivement au débit maximum et au débit minimum. En général, la contrôlabilité d'une vanne de régulation est jugée acceptable si sa course au débit maximal ne dépasse pas 90 % de la course nominale et si la course au débit minimal se situe dans la plage de 10 à 20 % de la course nominale. Cela signifie que le rapport entre le Cv maximum estimé et le Cv minimum estimé ne doit de préférence pas être supérieur à 15. Si le rapport dépasse largement cette valeur, la course au débit minimum peut être inférieure à 10 % de la course nominale, ou la course au débit maximum peut être supérieure à 90 % de la course nominale — les deux scénarios signifient une mauvaise contrôlabilité de la vanne. Dans ce cas, la chute de pression à travers la vanne de régulation doit être augmentée afin que le rapport cible puisse être abaissé, comme indiqué dans l'équation (1). Pour les fluides incompressibles, le rapport du Cv maximal au Cv minimal est donné par l'équation (1) :

FIGURE 1. Montré ici est un circuit de soupape de commande typique, qui est utilisé à titre indicatif dans les descriptions fournies dans le texte principal

La figure 1 montre un circuit de vanne de régulation typique. Les notes suivantes ajoutent des explications supplémentaires :

En se référant à la figure 1, si x est la chute de pression à travers le circuit de la vanne de régulation P 1 ABP 2, et y est la chute de pression à travers la vanne de régulation AB pour le débit maximum, alors la chute de pression dans la partie restante du circuit (consistant en les tuyaux, les raccords, les échangeurs de chaleur, les éléments de débit et plus ; comme représenté par les segments P 1 A et BP 2) est x–y pour le débit maximum.

Si r est le rapport entre le débit maximum et le débit minimum, et z est la chute de pression dans le circuit P 1 ABP 2 au débit minimum, alors — sans tenir compte de la différence d'élévation entre P 1 et P 2 — la chute de pression dans la partie du circuit autre que la vanne de régulation (c'est-à-dire P 1 A et BP 2) au débit minimum est d'environ = (x–y)/r 2.

La chute de pression dans la vanne de régulation AB au débit minimum est d'environ :

D'après l'équation (1) et l'équation (2), (C v) max /(C v) min est approximativement :

Les conclusions suivantes peuvent être tirées de l'équation (3) :

(C v) max /(C v) min vaut environ = [1 + (3,84 x/ y)] 0,5, ce qui implique que (C v) max /(C v) min vaut environ 3,5, pour une valeur x/ y de 3,0. Une valeur (Cv)max /(Cv)min proche de 3,5 correspond à une contrôlabilité raisonnablement bonne. Par conséquent, on peut dire que pour une bonne contrôlabilité, la chute de pression dans la vanne de régulation doit être d'environ un tiers de la chute de pression dynamique totale dans le circuit au débit maximum, si le débit maximum et minimum sont respectivement de 110 % et 50 % du débit normal.

Bien que l'équation (3) soit vraie pour le fluide incompressible, les résultats ci-dessus sont en général raisonnablement vrais pour le fluide compressible également.

2. Cavitation. Lorsque le fluide s'écoule à travers une vanne de régulation, la pression minimale se produit au niveau de la veine contractée, puis la pression augmente le long du trajet d'écoulement jusqu'à ce que le fluide atteigne la sortie de la vanne de régulation. La veine contractée est le point du trajet d'écoulement où la zone d'écoulement est minimale, la vitesse est maximale et, par conséquent, la pression est minimale [1]. Pour les liquides, si la pression au niveau de la veine contractée est inférieure à la pression de vapeur du liquide, des bulles de vapeur se forment. En aval de la vena contracta, une récupération de pression a lieu, entraînant une pression plus élevée à la sortie de la valve qu'au niveau de la vena contracta. Si la pression à la sortie de la vanne de régulation dépasse la pression de vapeur, la vapeur se condense et les bulles s'effondrent. Lorsque les bulles s'effondrent, cela provoque un impact sur le corps de la vanne et crée du bruit. Ce phénomène s'appelle la cavitation.

La cavitation complète se produit lorsque la chute de pression à travers la vanne de régulation est supérieure ou égale à une certaine chute de pression minimale (ou chute de pression critique) et que la pression à la sortie de la vanne de régulation est supérieure à la pression de vapeur du liquide. Ainsi, la cavitation complète se produit si les conditions suivantes sont remplies [ 2] :

Où:

P 1 = Pression absolue à l'entrée de la vanne de régulation

P 2 = Pression absolue à la sortie de la vanne de régulation

FL = Facteur de récupération de pression liquide, tel que défini par :

P vc = Pression absolue au niveau de la veine contractée

FF = facteur de rapport de pression critique liquide

FF = 0,96–0,28 (P v / P c) 0,5

P c = Pression critique thermodynamique absolue du liquide

P v = Pression de vapeur absolue du liquide à la température d'entrée

La valeur exacte de FL pour une vanne particulière ne peut être disponible que dans la fiche technique du fournisseur de la vanne, mais une valeur indicative peut être obtenue à partir du catalogue du vendeur, de la norme ISA-75.01.01-2007 ou d'autres documents de vanne de régulation pendant la phase de conception.

Les ingénieurs de procédé doivent essayer de minimiser la possibilité de cavitation lors de la spécification des vannes de régulation. Cela peut être fait des manières suivantes :

Il est absolument nécessaire de spécifier la pression critique thermodynamique et la pression de vapeur du liquide dans la fiche technique d'une vanne de régulation manipulant un liquide, afin que l'apparition de la cavitation puisse être évaluée. La cavitation complète entraîne un écoulement étranglé et se produit si ∆ P ≥ FL 2 ( P 1 – FFP v). Cependant, une cavitation partielle peut se produire sans provoquer d'étranglement de l'écoulement, si la chute de pression est inférieure à la chute de pression critique mais supérieure à ∆ P début de cavitation [ 2], où :

∆ P début de cavitation =

Où:

K c = Le coefficient de cavitation naissante, qui est inférieur à FL [ 2].

3. Plusieurs cas de fonctionnement. Alors qu'une vanne de régulation est généralement spécifiée pour trois cas — débits minimum, normal et maximum, avec perte de charge correspondante — il peut y avoir plus de trois cas de fonctionnement. Dans de telles situations, le débit normal et la chute de pression correspondante doivent être spécifiés conformément au cas de fonctionnement normal, tandis que les autres cas de fonctionnement (s'il y en a plus de deux) doivent être réduits à deux cas. Lors de la réduction des cas de fonctionnement, C v doit être estimé pour chaque cas. Ensuite, les débits minimum et maximum (et les pertes de charge correspondantes) doivent être spécifiés de manière à ce qu'ils correspondent aux C v minimum et maximum de la vanne de régulation, et le C v correspondant à tous les autres cas doit se situer entre le C v minimum et le C v maximum. Comme le C v réel n'est pas disponible lorsqu'une vanne de régulation est spécifiée, le C v estimé doit être utilisé.

4. Sélection du type de vanne. Les vannes papillon, qui sont compactes et ont généralement un coût relativement faible, sont souvent le premier choix. Cependant, des contraintes peuvent dicter le contraire. Par exemple, si une chute de pression élevée à travers la vanne est requise, une vanne à soupape peut être le meilleur choix. Étant donné que la résistance d'une vanne à soupape est supérieure à celle d'une vanne papillon, une chute de pression plus élevée peut être obtenue à travers une vanne à soupape de taille raisonnable.

Dans les applications liquides, une forte chute de pression peut entraîner une cavitation. Comme le facteur de récupération de pression des vannes à soupape a tendance à être plus élevé que celui des autres types de vannes, la cavitation peut souvent être évitée grâce à l'utilisation de vannes à soupape.

Dans le cas des gaz, une forte chute de pression peut entraîner des conditions d'écoulement étouffant, ce qui peut générer un bruit excessif. Le bruit peut être minimisé avec une vanne à soupape à l'aide d'une garniture guidée par cage. Cependant, si la chute de pression disponible à travers la vanne est faible, une vanne papillon peut être le choix préféré.

Pendant ce temps, les vannes à boisseau sphérique à encoche en V peuvent être préférées lorsqu'une plage de variation élevée est requise. Les vannes à boisseau sphérique standard à orifice rond sont généralement utilisées pour les applications tout ou rien. Le tableau 1 fournit des directives de sélection des vannes.

5. Classe de fuite. La fuite admissible du siège de la soupape de commande est spécifiée en termes de classe de fuite ANSI/FCI 70-02-2006. Cette norme reconnaît six classes de fuite de siège admissible (Classe I, II, III, IV, V et VI). La classe I signifie la fuite admissible la plus élevée ; La classe VI signifie la fuite la moins admissible [ 3]. Généralement, les vannes de régulation pour les applications CPI sont spécifiées avec la classe de fuite IV. Cependant, dans les situations où une fermeture étanche est requise, au moins la classe V doit être spécifiée. Si une soupape de commande décharge vers une torche ou contrôle (tout ou rien) le débit de carburant vers le brûleur d'un appareil de chauffage ou d'une fournaise, elle doit être spécifiée avec une fuite de classe VI.

6. Caractéristiques d'écoulement. Les types les plus courants de caractéristiques de débit inhérentes sont les suivants [ 1] :

La caractéristique de débit d'une vanne dépend de la conception de sa garniture. Alors que les robinets à tournant sphérique et les robinets à papillon ont des caractéristiques fixes, les robinets à soupape peuvent avoir l'une des trois caractéristiques, selon la conception du clapet ou de la cage.

Le type de caractéristique de débit doit être spécifié dans la fiche technique du procédé, en tenant compte du paramètre à contrôler ou du scénario de chute de pression dans le système. Pour le contrôle de débit ou de niveau, la caractéristique linéaire doit généralement être spécifiée. En général, la caractéristique linéaire doit également être spécifiée si la majeure partie de la chute de pression (en tant que proportion de la chute de pression totale dans le système) se produit à travers la vanne elle-même, de sorte que la chute de pression à travers la vanne reste presque constante pour des débits variables. Une caractéristique à pourcentage égal doit être spécifiée pour le contrôle de la pression, ou lorsqu'une proportion élevée de la chute de pression totale se produit dans le système autre que la vanne (c'est-à-dire dans les tuyaux, les raccords, l'équipement, etc.). Il convient également de spécifier où la chute de pression à travers la vanne varie avec un débit variable. Une caractéristique d'ouverture rapide doit être spécifiée pour les applications tout ou rien. Comme dans la plupart des systèmes courants, la chute de pression à travers la vanne de régulation varie considérablement avec le débit, de sorte que les caractéristiques de débit à pourcentage égal sont le plus souvent spécifiées [ 1].

Edité par Suzanne Shelley

1. Emerson Process Management, « Manuel des vannes de régulation », 4e éd., p. 18, p. 101-1 33–36, p. 46, p. p. 59–60. 109-110, p. 136.

2. "Manuel Masoneilan pour le dimensionnement des vannes de régulation", 7e éd., pp. 7–8, p. 10, 1987.

3. Norme nationale américaine, Control Valve Seat Leakage, ANSI/FCI 70-2-2006, Cleveland, Fluid Controls Institute, Inc., p. 2, 2006.

Satyendra Kumar Singh est le directeur général (chef de département) - Processus pour Simon India Limited (Mehtab House, A-36, rez-de-chaussée, Mohan Co-operative Industrial Estate, New Delhi-110044, Inde ; e-mail : [email protected] ; [email protected]). Il a plus de 24 ans d'expérience dans le conseil en ingénierie et la construction d'approvisionnement en ingénierie dans les domaines du raffinage du pétrole, de la pétrochimie, de la chimie, du pétrole et du gaz et de l'ammoniac. Singh est titulaire d'un baccalauréat en technologie (avec distinction) en technologie chimique du Harcourt Butler Technological Institute (Kanpur, Inde) et d'une maîtrise en administration des affaires de l'Indira Gandhi National Open University (New Delhi, Inde). Il est ingénieur agréé (Inde) et membre de l'Institution of Engineers (Inde) ; et a publié de nombreux articles sur des sujets de gestion et d'ingénierie.