Qu’est-ce qu’une valve à bille ?
Une valve à bille est un robinet doté d’un corps de clapet sphérique (en forme de boule) percé d’un trou en son centre, inséré entre les sièges du corps (boîte à clapets).
Le fluide, tel qu’un liquide ou un gaz, est arrêté en faisant tourner la bille de 90° dans le corps de la vanne. Cela a pour effet d’arrêter le fluide et de fermer la voie d’écoulement. Le robinet à bille est défini dans le glossaire japonais JIS B0100 comme “un terme générique pour une vanne dans laquelle un clapet sphérique tourne autour d’une tige de vanne à l’intérieur d’un boîtier de vanne. Le clapet de vanne peut être une bille pleine ou une demi-bille”.
La bille du clapet de vanne ne reste pas dans la voie d’écoulement lorsque la vanne est ouverte, ce qui entraîne une faible perte de charge. Elle est utilisée pour les vannes entièrement ouvertes et entièrement fermées, et non pour le contrôle de l’écoulement.
Utilisations des valves à bille
Les vannes à bille sont largement utilisées dans les domaines domestiques et industriels généraux en raison de leur facilité d’utilisation, de leur structure simple et de leur taille compacte. Les vannes à bille sont généralement utilisées en position entièrement ouverte ou entièrement fermée : le fluide s’accumule entre le corps (clapet) et la bille (bouchon) lorsque la bille est utilisée en position d’ouverture intermédiaire. Le robinet est donc utilisé comme vanne d’arrêt.
La sphère (clapet) d’une vanne à bille peut être ouverte ou fermée en tournant de 90° la poignée fixée à la tige (axe de la vanne). Cela présente l’avantage d’une excellente manœuvrabilité et d’un temps de fonctionnement court. De plus, la bille ne reste pas dans la voie d’écoulement lorsque la vanne est ouverte, ce qui réduit la perte de charge.
La voie d’écoulement comporte peu d’étapes et peut être utilisée pour la tuyauterie de fluides contenant des boues et des solides. Les boues sont des mélanges de solides et de liquides, par exemple du charbon ou du minerai finement broyé mélangé à de l’eau pour former une boue, qui est utilisée pour le transport.
Principe des vannes à bille
Une valve à bille ferme le fluide par contact superficiel entre la bille (clapet de vanne) et le siège (siège de vanne) à l’intérieur du corps (boîte de vanne). Dans cet état, le centre de l’alésage de la bille est à 90° par rapport au centre de l’ouverture du corps. Lorsque la bille est tournée de 90°, le centre du trou de la bille devient concentrique avec le centre de l’ouverture du corps et le fluide s’écoule.
La force requise pour cette opération d’ouverture et de fermeture est proportionnelle à la résistance au frottement entre la surface sphérique de la bille et le siège. Plus le diamètre nominal de la soupape est grand, plus la force nécessaire à l’ouverture et à la fermeture est importante. C’est pourquoi les robinets de plus grand diamètre nominal ont une poignée rotative avec un actionneur à engrenage (réducteur).
De nombreuses vannes à bille sont des vannes à passage intégral, avec une faible différence de surface de passage entre l’intérieur du corps et la tuyauterie d’entrée/sortie. Elles se caractérisent par une perte de charge extrêmement faible lorsqu’elles sont complètement ouvertes car le passage de l’écoulement est presque rectiligne.
Structure des valves à bille
Les valves à bille se composent principalement d’un corps (boîte à clapets), d’un disque (clapet), d’une tige (tige de clapet) et d’une poignée. Les vannes à bille sont actionnées par une poignée ou un actionneur.
La poignée est fixée à la tige et transmet la rotation à la tige. Lorsque la vanne est ouverte, la rotation de la poignée entraîne une rotation de 90° du boisseau, tandis que lorsque la vanne est fermée, le boisseau tourne dans le sens inverse.
Types de vannes à bille
1. Classification selon le mode de fonctionnement ouverture/fermeture
Il existe trois principaux types de vannes à bille avec les méthodes de fonctionnement et d’entraînement suivantes pour l’ouverture et la fermeture.
- Type manuel
Rotation de la tige à l’aide d’une poignée, etc. - Type pneumatique
Rotation de la tige par un actionneur pneumatique. - Type électrique
Rotation de la tige par un actionneur électrique
2. Classification par forme d’alésage
Les vannes à bille sont disponibles dans les trois formes d’alésage suivantes. L’alésage est le diamètre intérieur de la voie d’écoulement dans le corps.
- Alésage standard
Le diamètre de l’alésage est inférieur d’une taille au diamètre nominal du robinet (diamètre intérieur du tuyau). - Alésage réduit
Le diamètre de l’alésage est inférieur d’au moins une taille au diamètre nominal du robinet (diamètre de l’alésage du tuyau). - Alésage complet
Le diamètre de l’alésage est presque identique au diamètre nominal du robinet (diamètre intérieur du tuyau).
3. Classification selon la méthode de support du boisseau
Les robinets à bille sont disponibles avec les deux types suivants de support de bille rotatif.
Robinets à tournant sphérique flottants (type à tournant sphérique flottant)
Le type flottant comporte un siège monté à l’intérieur du corps, qui serre et soutient la sphère. L’extrémité carrée de la tige s’insère dans la gorge du boisseau, ce qui entraîne sa rotation.
La gorge de la bille est parallèle au sens d’écoulement du fluide lorsqu’elle est complètement fermée et la bille glisse légèrement et est pressée contre le joint par la pression du fluide pour assurer l’étanchéité. Généralement utilisé pour les basses pressionsbet les petits diamètres.
Type à tourillon (type à bille fixe)
Le type à tourillon a une structure rotative avec la partie supérieure de la bille supportée par la tige (tige de vanne) et la partie inférieure par le tourillon (arbre rotatif). Les parties supérieure et inférieure de la bille sont supportées par l’arbre rotatif et sont moins affectées par la pression du fluide. Le siège est pressé par un ressort intégré dans le support de siège, qui entre en contact avec la bille et l’étanchéifie. Généralement utilisé pour les hautes pressions.
4. Classification selon le matériau du corps
- Fonte grise JIS G5501 FC200.
- Fonte à graphite sphéroïdal JIS G5502 FCD400.
- Pièces forgées en acier au carbone pour appareils à pression JIS G3202 SFVC 2A.
- Pièces moulées en acier à haute température et à haute pression JIS G5151 SCPH2, SCPH21.
- Pièces moulées en acier inoxydable JIS G5121 SCS13A, SCS14A.
- Pièces moulées en cuivre et alliages de cuivre JIS H5120 CAC401.
- Pièces moulées en bronze Classe 1.
- Barres en cuivre et en alliage de cuivre JIS H3250 C3771 Laiton pour forgeage.
Le choix du matériau du corps est basé sur les exigences suivantes. Pour plus de détails, se référer au catalogue du fabricant concerné, etc.
- Type de fluide, pression, température, vitesse d’écoulement, présence ou absence d’impuretés
- Exigence ou non d’une résistance à la corrosion
- Réglementations et normes applicables
5. Classification selon le matériau du siège
En général, les sièges des valves à bille sont classés en deux types : les joints souples en résine ou en fibre de carbone et les sièges métalliques en métal.
Joints souples
PTFE (Téflon) ou PTFE chargé d’agents à base de carbone, etc. Les températures maximales de service sont d’environ 150°C pour le PTFE seul et d’environ 300°C pour le PTFE chargé de carbone ou d’autres agents.
Les feuilles en PTFE se caractérisent par leur résistance chimique, leur faible résistance au frottement et leur excellente opérabilité. Des feuilles en fibre de carbone sont également disponibles, avec une température maximale d’utilisation d’environ 500°C.
Feuilles métalliques
L’acier au carbone ou l’acier inoxydable est pulvérisé avec un alliage de nickel à haute dureté sur la surface de la feuille en contact avec les billes. Dans ce cas, la même pulvérisation thermique est également appliquée aux billes.
Les tôles métalliques ont une température de fonctionnement maximale d’environ 500 °C et sont adaptées aux fluides à haute température, aux poudres, aux boues et aux fluides visqueux qui sont difficiles à manipuler avec des tôles souples.