Actuateurs de Controle [PDF]

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FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE VANNES DE REGULATION ET POSITIONNEURS 1. Introduction Une vanne de régulation agit comme une résistance variable dans une tuyauterie, elle engendre une chute pression. Dans la plupart des boucles de régulation, la vanne est sujette à de plus sévères conditions de température, pression, corrosion et contamination que les autres constituants. Une vanne de régulation est constituée de deux éléments principaux: - Le corps de vanne - Le servomoteur.

SIGNAL INSTRUMENT SERVO MOTEUR

MEMBRANE

PLATEAU DE MEMBRANE

RESSORT BOITIER IINFERIEUR

ARCADE

NOIX D’ACCOUPLEMENT

VIS DE REGLAGE DU RESSORT

TIGE DU CLAPET

PLAQUE INDICATRICE DE COURSE

BRIDE PRESSE ETOUPE ANNEAU GRAISSEUR CHAPEAU CLAPET CORPS

RESSORT GARNITURES GUIDE HAUT DU CLAPET SIEGE

ENTREE FLUIDE

SORTIE FLUIDE

GUIDE BAS DU CLAPET

Vanne de régulation

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 2. Terminologie 2.1 Corps de vanne C’est l’élément de la vanne connectée à tuyauterie et à travers lequel circule le fluide. Les vannes de petite dimension sont connectées par raccords "union". Les vannes de grande dimension sont connectées par brides ou par soudage. 2.2 Chapeau de presse étoupe Elément installé sur le sommet du corps de vanne. Sert de guide à la tige de clapet(s), contient le presse étoupe et supporte le servomoteur. Pour des températures >= 200 °C, des ailettes de refroidissement sont utilisées Pour des températures 230 °C). Périodiquement, la pression sur les rondelles doit être réglée correctement pour minimiser les fuites; par l’intermédiaire de la bride et du fouloir Pour une étanchéité absolue, un soufflet solidaire de la tige de clapet est employé et un PSH / PSHH peut être installé pour détecter toute fuite sur ce soufflet

BRIDE PRESSE ETOUPE GOUJON PRESSE ETOUPE

TIGE CLAPET GRAIN DU PRESSE ETOUPE (FOULOIR) ADAPTATEUR FEMELLE JEU GARNITURE TEFLON EN V

CORPS ADAPTATEUR MALE RESSORT GARNITURE

Chapeau de presse étoupe

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 2.4 Système d’obturation Comprend:  tige de vanne,  ensemble clapet(s) / siège(s)  guides de tige (manchons et bagues) Différents jeux de systèmes d’obturation peuvent être disponibles pour un même corps de vanne Ils permettent de changer le coefficient et la caractéristique de débit de la vanne sans changer l’ensemble de la vanne. 2.5 Armature Supporte l’ensemble du servomoteur. Permet l’accès à l’accouplement tige de vanne / tige de servomoteur et au réglage de la tension du ressort. La corrosion due à l’eau de mer offshore fragilise cette armature et peut provoquer sa rupture même dans des conditions normales de fonctionnement. 2.6 Servomoteur Peuvent être électriques et hydrauliques, mais le servomoteur pneumatique membrane / ressort est le plus utilisé dans les boucles de régulation. Le servomoteur pneumatique utilise soit de l’air soit du gaz instrument.

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 3. Position de sécurité Quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur, le ressort ramène la vanne dans sa position ouverte ou fermée, cette position étant définie à la construction.  Une vanne "Fail Close" ou fermée par manque d’air, se ferme quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur.  Une vanne "Fail Open" ou ouverte par manque d’air, s’ouvre quand il n’y a plus de pression sur le servomoteur. Le choix dépend essentiellement des conditions de sécurité pour le procédé. NORMALEMENT OUVERTE NORMALEMENT FERMEE

VANNE OUVERTE

VANNE FERMEE

4. Sens d’action Pour le servomoteur Directe: une augmentation de la pression provoque une sortie de la tige Inverse: une augmentation de la pression provoque une rentrée de la tige Pour le corps de vanne Directe: une sortie de la tige provoque la fermeture du système d’obturation Inverse: une sortie de la tige provoque l’ouverture du système d’obturation Pour la vanne Servomoteur direct + corps direct = vanne. "FC". Servomoteur direct + corps inverse= vanne. "FO". Servomoteur inverse + corps direct = vanne. "FC". Servomoteur inverse + corps inverse = vanne. "FO".

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 5. Différents types de vannes 5.1 Vannes simple siège / clapet Moins chers à l’achat, elles présentent une bonne étanchéité à la fermeture. Mais de fortes pressions différentielles créent des conditions d’instabilités près de la fermeture; des servomoteurs de grand diamètre doivent être utilisés pour compenser forces. Généralement installées de façon à ce que la pression du fluide tende à ouvrir le système d’obturation pour éviter une fermeture trop brutale.

CORPS : ACTION DIRECT CLAPET DESCEND LA VANNE SE FERME BRIDE PRESSE ETOUPE ECROU D’ARCADE RESSORT GARNITURES GUIDE DU CLAPET

CHAPEAU

CLAPET VPORT

SIEGE REVERSIBLE

ENTREE FLUIDE

CORPS

SORTIE FLUIDE

BRIDE DE FOND

NOTE :LE SIEGE SERT DE GUIDE AU CLAPET

Vannes simple siège / clapet réversible

CORPS :ACTION INVERSE CLAPET DESCEND LA VANNE S’OUVRE BRIDE PRESSE ETOUPE ECROU D’ARCADE GUIDE DU CLAPET

RESSORT GARNITURE CHAPEAU

CLAPET VPORT REVERSIBLE

SORTIE FLUIDE

SIEGE REVERSIBLE

ENTREE FLUIDE

CORPS BRIDE DE FOND

Vannes simple siège / clapet inversé

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 5.2 Vannes double siège / clapet Les forces sur le système d’obturation tendent à s’équilibrer du fait que le fluide essaye d’ouvrir un clapet et de fermer l’autre. Ces faibles forces permettent une meilleure stabilité de la vanne et de choisir un servomoteur de plus faible diamètre pour une vanne de même capacité. La plupart des systèmes d’obturation sont également réversibles Elles ne permettent pas une très bonne étanchéité à la fermeture due au fait que les deux clapets ne peuvent jamais porter en même temps sur les deux sièges.

CHAPEAU GUIDE HAUT DU CLAPET

GRAND CLAPET TYPE LINEAIRE

ENTREE FLUIDE

SORTIE FLUIDE

PETIT CLAPET TYPE LINEAIRE

CORPS

BRIDE DE FOND

GUIDE BAS DU CLAPET

Vannes double siège / clapet

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 5.3 Vannes à cage C’est une vanne de type simple siège / clapet qui associe les avantages de la vanne double siège / clapet Le système d’obturation permet un excellent guidage du clapet (piston) et un échange rapide de la cage (cylindre). La possibilité d’installer un joint torique autour du piston réduit les possibilités de fuite. Le piston est équilibré, car la pression avale agit de part et d’autre de ces faces. La direction préférentielle du débit se fait de l’extérieur vers l’intérieur du piston pour assurer une meilleure stabilité. Les ouvertures de la cage sont usinées en fonction de la caractéristique de débit. La plupart des systèmes d’obturation sont également réversibles

CORPS :ACTION DIRECT CLAPET DESCEND LA VANNE SE FERME

CLAPET GUIDE DE CLAPET CAGE

SORTIE FLUIDE

ENTREE FLUIDE

SIEGE

CAGE AVEC CARACTERISTIQUE DE DEBIT A OUVERTURE RAPIDE

Vannes à cage

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 6. Vannes rotatives 6.1 Vannes papillon Un disque en métal installé dans une manchette de faible longueur pivote par l’intermédiaire d’une tige accouplée à un servomoteur. Demande un minimum d’espace pour son installation et assure une grande capacité de débit avec une faible perte de charge. Peut nécessiter un servomoteur à piston, le couple de fonctionnement pouvant être élevé. Pour une bonne étanchéité, un revêtement souple comme le téflon ou le nitrile doit être utilisé. Un disque standard permet une bon réglage sur un angle de 60° avec une caractéristique de débit égale pourcentage.

ARCADE DU SERVOMOTEUR BRIDES

BRAS DE COMMANDE

BRAS D’ARTICULATION

AXE

DISQUE NERVURE

CORPS ENTRE BRIDE

SIEGE SOUPLE

AXE DE COMMANDE

Vannes papillon

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 6.2 Vannes à boule Contient une sphère ou boule de diamètre nominal généralement égal à celui de la tuyauterie. La boule peut pivoter de 90° par l’intermédiaire d’une tige accouplée à un servomoteur. La boule est en contact continu avec un joint torique qui assure une excellente étanchéité. Les vannes à boule standards sont utilisées dans les systèmes de sécurité (TOR). Les vannes à boule modifiée avec une échancrure en "V" ont une caractéristique égale pourcentage et conviennent aux fluides visqueux, chargés de particules solides ou de fibres. Le fluide a tendance à fermer le système d’obturation, le servomoteur doit s’opposer à cet effet.

VANNE A BOISSEAU SPHERIQUE TYPE : VBALL PARTIELLEMENT OUVERTE

Vanne à boule et servomoteur à membrane

ENTREE FLUIDE OBTURATEUR SPHERIQUE

SORTIE FLUIDE JOINT SIEGE

SIEGE AXE DE GUIDAGE CHAPEAU PRESSE ETOUPE AXE DE COMMANDE

Vanne à boule – vue en coupe

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 6.3 vannes à clapet semi rotatif excentré Le clapet excentré peut pivoter de 50° par l’intermédiaire d’une tige accouplée à un servomoteur. A la fermeture, le servomoteur produit un couple de torsion sur la tige, le bras du clapet fléchit et force le pourtour du clapet en appui sur le siège. Pas de sens préférentiel pour le fluide; mais, en fonction de sa direction, il a tendance à ouvrir ou fermer la vanne. Généralement, cette direction est choisie en fonction des conditions de sécurité; si la vanne est FO, le fluide devra avoir tendance à ouvrir la vanne.

BORD DE FUITE DE L’OBTURATEUR BAGUE DE SERRAGE

OBTURATEUR

SIEGE

CORPS

BORD D’ATTAQUE DE L’OBTURATEUR

Corps de vanne à clapet semi rotatif excentré

SIEGE

OBTURATEUR

ENTREE FLUIDE

COMMANDE MANUELLE ARBRE

GUIDE BRAS FLEXIBLES GUIDE

LEVIER SERVOMOTEUR

Vannes à clapet semi rotatif excentré

AIR

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 7. Caractéristiques de débit des vannes C’est la relation entre le débit à travers une vanne et la course correspondante. Les fournisseurs proposent différents types de caractéristiques: 

ouverture rapide.



linéaire.



linéaire modifiée.



égal pourcentage



parabolique modifiée.

LINEAIRE MODIFIEE

DEBIT EN%

PARABOLIQUE MODIFIEE

OUVERTURE RAPIDE

LINEAIRE

EGAL POURCENTAGE

COURSE DE LA VANNE EN %

Principales caractéristiques de débit

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 7.1 Clapet(s) à ouverture rapide Une augmentation maximum de débit est produite par une course d’environ 30%, puis cette augmentation diminue au fur et à mesure que la course approche de 100 %. Utilisés principalement dans les boucles de régulation TOR, et les systèmes de sécurité. GUIDE SUPERIER

GUIDE DU CLAPET

CLAPET SIMPLE GUIDE INFERIEUR

CLAPET DOUBLE

Clapet(s) à ouverture rapide 7.2 Clapet(s) linéaires Le débit est directement proportionnel à l’ouverture de la vanne tout le long de sa course. Utilisés dans les boucles de régulation de niveau et d’une façon générale dans les procédés ayant un gain constant.

CLAPET SIMPLE

CLAPET DOUBLE

Clapet(s) linéaires 7.3 Clapet(s) linéaires modifiés Réalisent un compromis entre caractéristique linéaire et ouverture rapide. Dans les zones extrêmes de débit élevé et plus particulièrement de débit faible, une grande course produit une faible variation de débit.

CLAPET SIMPLE

CLAPET DOUBLE

Clapet(s) linéaires modifiés

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 7.4 Clapet(s) égal pourcentage Des augmentations égales de course produisent des augmentations égales de débit. Près de la fermeture, les variations de débit sont faibles; de 0 à 30% de course, le débit passe de 0 à environ 9%. Près de l’ouverture, les variations de débit sont relativement importantes; entre 80 et 100 % de course, le débit varie d’environ 50 %. Utilisés dans les boucles de régulation de pression et d’une façon générale dans les procédés où seulement une faible proportion de la perte de charge totale peut être absorbée par la vanne.

CLAPETS POUR FAIBLE DEBIT

=% EN V

=% MICRO FORME

=% MICRO FLUTE

Clapet(s) égal pourcentage 7.5 Clapet(s) modifiés paraboliques Compromis entre caractéristique linéaire et égal pourcentage, ils présentent une caractéristique linéaire aux fortes valeurs de débit et de course. Utilisés dans les boucles de régulation de pression, de débit et, d’une façon générale dans les procédés où une forte proportion de la perte de charge totale peut être absorbée par la vanne.

CLAPET EN V AVEC JUPE DE GUIDAGE CLAPET EN V AVEC TIGE DE GUIDAGE

DOUBLE CLAPET EN V AVEC JUPE DE GUIDAGE

Clapet(s) modifiés paraboliques ou en "V"

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 7.6 Cages Les caractéristiques ouverture rapide, linéaire, et égal pourcentage sot déterminée par la forme des ouvertures de la cage. TIGE DU CLAPET

CAGE

CLAPET TYPE PISTON

FENETRE

SORTIE FLUIDE

ENTREE FLUIDE FENETRE OUVERTURE RAPIDE

FENETRE LINEAIRE

FENETRE =%

Cage trim.

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE

8. Servomoteurs

8.1 Servomoteur à membrane Un signal de pression pneumatique est appliqué sur un coté de la membrane. La force résultante pousse l’ensemble membrane, plateau de membrane, et tige de servomoteur dans une direction; quand cette force égale la force du ressort dans la direction opposée, l’ensemble s’arrête. Les pressions de fonctionnement sont généralement de 0,2-1 bar, (3-15 psi) ou 0,4-2 bar (6-30 psi)

ENTREE PNEUMATIQUE

BOITIER

ECHAPPEMENT

ENTREE PNEUMATIQUE

MEMBRANE PLATEAU MEMBRANE RESSORT TIGE SERVOMOTEUR RONDELLE APPUI RESSORT VIS REGLAGE RESSORT NOIX D’ACCOUPLEMENT ARCADE DISQUE INDICATEUR INDICATEUR DE COURSE

Servomoteur à action directe

Servomoteur à action inverse

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 8.2 Servomoteurs à piston Les servomoteurs à piston fonctionnent à des pressions beaucoup plus élevées que ceux à membrane. Ces pressions pneumatiques ou hydrauliques peuvent être de plusieurs dizaines de bar. Ils sont capables de développer des forces et des courses beaucoup plus importantes permettant de vaincre de très fortes chutes de pression à travers le corps de vanne. Les vannes de sécurité utilisent des pistons:  simple effet avec ressort de rappel qui permet d’obtenir la position de sécurité voulue.  double effet avec accumulateur hydraulique ou réservoir pneumatique qui sont utilisés en cas de manque de pression pour ramener la vanne dans sa position de sécurité. Les vannes de régulation utilisent généralement des pistons double effet avec positionneur. Sans ressort de rappel, il n’y a pas de position de sécurité possible.

POSITIONNEUR

BAGUE D’ETANCHEITE SUPERIEURE

CONNECTION PNEUMATIQUE

PISTON ET JOINT D’ETANCHEITE

CYLINDRE (DOUBLE EFFET)

BAGUE D’ETANCHEITE INFERIEURE SOUFFLET ETANCHEITE

NOIX DE CONNECTION

TIGE DU CLAPET

ARCADE

Servomoteurs pneumatique à piston

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 8.3 Commande manuelle Installée sur le servomoteur, leur rôle est de manœuvrer manuellement la vanne dans certains cas:

 Lors du démarrage de l’unité.  En cas d’urgence.  En cas de manque d’énergie sur le servomoteur.  Si la vanne n’est pas équipée d’un système de by-pass. La commande manuelle installée sur le dessus d’un servomoteur:  à action directe peut être utilisée comme fin de course réglable vers le haut.  à action inverse peut être utilisée comme fin de course réglable vers le bas.

Commande manuelle installée sur le dessus La commande manuelle installée sur le coté d’un servomoteur peut être utilisée comme fin de course dans les deux directions. En fonctionnement normal, toute commande manuelle doit être en position "NEUTRE" pour permettre à la vanne d’effectuer toute sa course.

Commande manuelle installée sur le coté

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 9. Positionneur 9.1 Utilisation C’est un régulateur de position qui permet à une vanne de répondre rapidement et de façon précise aux variations du signal envoyé au servomoteur. Un positionneur doit être utilisé:

 si l’EM de la pression appliquée sur la membrane est différente du signal de sortie du régulateur.  pour une régulation "Split-Range" où le signal de sortie du régulateur est partagé entre plusieurs vanne.  quand la distance entre régulateur et vanne est importante, créant un temps mort préjudiciable à la stabilité de la boucle.  Dans les boucles relativement lentes, niveau et température Dans certains cas, l’utilisation d’un positionneur est déconseillée:  dans les boucles rapides, débit, pression de liquide, il peut engendrer de l’instabilité.  si la vanne est soumise à des vibrations, il amplifie l’effet de ces vibrations Dans ces situations un convertisseur P/I peur être utilisé.

SERVOMOTEUR

POSITIONNEUR

CORPS DE VANNE

Vanne de régulation équipée d’un positionneur

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 9.2 Principe de fonctionnement Un soufflet reçoit le signal de sortie du régulateur et transforme ce signal en une variation de déplacement appliqué à un système buse / palette / relais qui la traduit en une variation de pression. Cette variation de pression est envoyée au servomoteur qui agit sur la position de la tige de vanne. La tige de vanne par l’intermédiaire du système levier / came réagit sur le système buse / palette / relais pour rétablir l’équilibre. A l’équilibre, la position de la tige de vanne est directement proportionnelle au signal de sortie du régulateur.

SOUFFLET SIGNAL INSTRUMENT

ECHAPPEMENT PALETTE

BUSE RELAIS RESTRICTION

BRAS DE CONTRE REACTION

CAME

ALIMENTATION PNEUMATIQUE

Positionneur pneumatique 9.3 Sens d’action Direct: une augmentation du signal d’entrée provoque une augmentation du signal de sortie Inverse: une augmentation du signal d’entrée provoque une diminution du signal de sortie Un positionneur est normalement utilisé en action directe. Un positionneur en action inverse peut être utilisé sur des vannes en "Split range"

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 9.4 Caractéristiques des cames La plupart des positionneurs maintiennent la tige de vanne à une position proportionnelle au signal de sortie du régulateur. Certains fournisseurs proposent un moyen (généralement une came) pour changer cette relation. La came, installée dans le système de rétroaction, permet d’obtenir différentes caractéristiques: 

ouverture rapide (came 2)



linéaire (came 1)



spécifique (came 3).

COURSE VANNE EN %

CAME 2

CAME 1

CAME 3

SIGNAL INSTRUMENT EN % POSITIONNEUR A ACTION DIRECTE

POSITIONNEUR A ACTION INVERSE

Certains positionneurs sont équipés de système de by-pass. Quand le positionneur est by-passé, le signal de sortie du régulateur est envoyé directement sur le servomoteur. Si le positionneur est en action inverse ou s’il est utilisé comme un amplificateur de pression ou les deux, le by-pass doit être rendu inactif.

FORMATION OPERATEUR PRODUCTION SURFACE 10. Vannes spéciales  Cryogénique Généralement simple siège à cage pour un démontage aisé de la cage et du servomoteur Nécessite un presse étoupe à extension pour l’installation du calorifuge autour du corps  A CV réglable Généralement à clapet semi rotatif excentré pour faibles débits  A faible niveau de bruit Utilisé sur les très hautes pressions de gaz (choke valve sur têtes de puit / recyclage sur compresseurs)  Anticavitation A étages multiples pour injection d’eau dans les puits