Basée aux États-Unis à Solon dans l’Ohio, la société Swagelok est l’un des principaux développeurs et fournisseurs de solutions pour systèmes fluides. Son directeur de l’ingénierie de projets, Bill Menz, nous explique comment du robinet au transmetteur, la ligne d’instrumentation de process affecte directement la rentabilité de l’installation.

Les industries de transformation, notamment l’industrie chimique et pétrochimique, les raffineries, l’industrie pétrolière et gazière ainsi que l’industrie du papier, sont aujourd’hui confrontées à des coûts d’exploitation accrus, au manque de personnel qualifié, à une concurrence féroce et au besoin de produire plus avec des moyens réduits. Pour relever ces défis, de nombreuses sociétés se servent des avancées réalisées dans les technologies des commandes et de l’instrumentation pour optimiser les performances de leurs usines. Ces progrès se situent souvent au niveau des composants électroniques qui fournissent des mesures d’une plus grande précision et des algorithmes de commande plus rapides, ce qui entraîne l’accroissement des capacités de production et l’amélioration des rendements des produits « conformes au cahier des charges ». Néanmoins, comme cela est le cas pour tout principe de mesure, la qualité du résultat et la fiabilité véritable des mesures dépendent de la qualité des données fournies au dispositif de mesure. L’étanchéité de la vanne à interface de process et des raccordements non filetés ainsi que les propriétés de tenue en température dans les lignes d’impulsion et la haute fiabilité de la fermeture du manifold sont autant de raison pour considérer les composants acheminant le fluide dans une connexion d’instrumentation comme les applications à utilisation intensive les plus importantes de l’usine. La ligne d’instrumentation de process – du « robinet au transmetteur » – est un réseau de dispositifs et de composants dont chacun est destiné à assurer une fonction spécifique (figure 1). La ligne doit fonctionner comme une entité unique et non pas comme un ensemble de composants. Tout dysfonctionnement de l’un des composants peut altérer le système comme les données, ce qui peut entraîner des pertes de fluide dans le système, une production non conforme au cahier des charges et des frais liés à l’arrêt du système. Pour les concepteurs et les ingénieurs des industries de transformation, ces avancées technologiques ont fait des transmetteurs des composants plus utiles que jamais. Tout en prenant le temps nécessaire pour évaluer et choisir des transmetteurs, les ingénieurs doivent également garder à l’esprit qu’une mesure fiable dépend de l’ensemble de la ligne. Le bon fonctionnement d’un transmetteur et son effet positif sur le résultat net d’une installation reposent sur le bon choix des composants acheminant le fluide. Une attention insuffisante portée à ces composants équivaut à investir de manière risquée et à augmenter les chances de voir votre système et vos données altérés. Il n’est pas exagéré de dire que la qualité de la mesure d’un système est égale à celle de l’ensemble de ses composants. Chacun de ces composants doit donc être choisi avec soin.

Vanne à interface de process

La vanne à interface de process (VIP) ou vanne d’échantillonnage est la première vanne déviant le fluide de la ligne de process. Historiquement, la VIP la plus utilisée est le robinet-vanne, une vanne simple, multitour à vis et arcade permettant le remplacement des garnitures avec la vanne en service. La fabrication et l’utilisation des robinetsvannes demeurent largement répandues de nos jours, dues en grande partie à leur statut de produit hérité. Toutefois, à cause des limites inhérentes aux vannes monoblocs, on tend à s’éloigner de cette vanne d’isolement simple et à opter pour une famille plus récente de VIP, les vannes double arrêt et purge (DAP). Constituée d’un purgeur entouré de deux vannes d’isolement (ou vannes d’arrêt), la configuration DAP sécurise davantage les systèmes en éliminant la possibilité d’une montée en pression vers le transmetteur lors de la maintenance. Avec un robinet-vanne simple, des fuites peuvent se produire – et surviennent en fait fréquemment – entraînant une montée en pression. En fonctionnement normal, les deux vannes d’isolement de la configuration DAP sont ouvertes tandis que le purgeur est fermé, permettant ainsi au transmetteur de détecter les fluctuations de la pression et donc d’en mesurer les variations. Cependant, au cours d’une opération d’entretien, il ne doit exister aucune pression dans le transmetteur. Une pression nulle au niveau du transmetteur est habituellement atteinte en isolant celui-ci de la pression de la ligne au moyen d’un manifold d’instrumentation. Néanmoins, lorsqu’une opération d’entretien du manifold ou des lignes d’impulsion s’avère nécessaire, une vanne à interface de process DAP peut constituer la meilleure solution. La procédure de maintenance commence par le raccordement d’un tube d’écoulement au purgeur de la vanne DAP. L’autre extrémité du tube est introduite dans un réceptacle. Un technicien ferme la première vanne d’isolement, la plus proche de la ligne de process, et ouvre le purgeur. La pression de la ligne s’évacue par la deuxième vanne d’isolement déjà ouverte, puis par le tube d’écoulement dans le réceptacle afin d’assurer que le fluide ne s’échappe pas dans l’environnement. La seconde vanne d’isolement est alors fermée pour garantir une pression nulle dans la ligne d’impulsion. En cas de fuite au niveau de la première vanne d’isolement, la deuxième vanne contient le fluide et le force à s’évacuer par le purgeur ouvert. Ce confinement secondaire constitue un dispositif de sécurité important pour les techniciens en charge de l’entretien des composants de la ligne d’instrumentation. La sécurité du personnel d’entretien est liée à l’absence de montées en pression imprévues. Pour une sécurité maximale lors de l’entretien du transmetteur, utilisez à la fois le manifold et la vanne DAP pour annuler la pression. Bien qu’il soit possible de fabriquer les vannes double arrêt et purge à partir de trois vannes distinctes, l’apparition de la vanne DAP compacte a bouleversé le paysage de l’instrumentation de process. La vanne DAP compacte intègre les trois vannes dans un ensemble unique et autonome. En plus de raccordement étanches et d’une sécurité accrue, les vannes DAP compactes présentent des avantages certains par rapport aux vannes constituées d’éléments séparés (figure 2) :

• Des points de fuite moins nombreux ;

• Une flexibilité dans la configuration du produit par l’utilisation de raccords à bride et d’orifices de tailles différentes ;

 • Plus de légèreté et un encombrement réduit, limitant ainsi le recours à des supports de structure pour le système d’instrumentation et les dépenses engendrées par ces supports ;

 • Un coût moindre ;

 • Une installation plus facile et plus rapide ;

• Un choix important de classes de pression et de matériaux compatibles avec des systèmes de tuyauterie spécifiques ;

• Conçues et testées pour la sécurité incendie.

Imaginées à l’origine dans les années 1980 par des ingénieurs britanniques travaillant dans l’industrie pétrolière offshore en Mer du Nord, les vannes DAP compactes sont nées d’un besoin de réduire la taille et le poids de l’ensemble à trois vannes ainsi que le nombre de points de fuite potentiels. La technologie est en train de se déplacer sur les exploitations pétrolières à terre où ses avantages sont également appréciés. L’Europe a commencé  à adopter cette technologie de même que la région Asie- Pacifique. Cette évolution est plus lente aux États-Unis où le robinet-vanne continue à s’imposer. Les sociétés américaines pourraient pourtant tirer d’énormes avantages de la nouvelle génération de vannes à interface de process.

Vannes à boisseau sphérique et vannes à pointeau

Dans la vanne DAP « classique », les deux vannes d’isolement sont des vannes à boisseau sphérique et le purgeur est une vanne à pointeau. Les larges orifices des vannes à boisseau sphérique réduisent les risques d’obturation et rendent cette configuration plus efficace pour des fluides à viscosité élevée. Pour cette raison, la vanne DAP classique est de plus en plus utilisée pour des activités en amont comme l’exploration pétrolière et gazière. Par comparaison, la vanne monobride, un deuxième type de vanne DAP compacte, est la plus compacte des vannes double arrêt et purge disponibles avec ses trois vannes à pointeau et sa bride unique. Les orifices plus petits des vannes à pointeau conviennent mieux aux fluides et aux hydrocarbures plus légers et moins visqueux. Les vannes monobrides sont donc plus recherchées pour des activités en aval, par exemple, dans l’industrie chimique ou dans les raffineries. Les meilleures vannes DAP, réalisées avec des joints d’une grande fiabilité, nécessitent une maintenance minimale et sont exemptes de fuites vers l’atmosphère et au niveau du siège. Plusieurs technologies sont disponibles pour ce qui est des vannes à boisseau sphérique et des vannes à pointeau constituant une vanne DAP :

 • Une de ces vannes à pointeau contient un embout de tige sphérique qui ne tourne pas lors de la fermeture. Dans ce cas, l’embout de tige sphérique est libre en rotation dans tous les plans plutôt que d’avoir une rotation liée à celle de la tige de la vanne. Lorsqu’un embout sphérique tourne avec la tige comme cela est le cas avec un embout sphérique immobile intégré à la tige, l’embout peut s’user et rayer le siège. De telles rayures endommagent le siège et, à force, finissent par provoquer des fuites. En revanche, lorsque l’embout de tige sphérique ne tourne pas en pénétrant dans le siège de la vanne, l’intégrité du siège est préservée.

• La technologie des vannes à pointeau va encore plus loin avec certains embouts sphériques non rotatifs ou « contrôlés ». Un embout typique est un embout sphérique qui tourne dans tous les plans et qui est considéré « incontrôlé ». Chaque passage de l’embout dans le siège de la vanne imprime une « ligne d’étanchéité », une rayure circulaire sur la surface de l’embout. À cause de la libre rotation de l’embout dans tous les plans, une surface différente de l’embout se présente dans le siège à chaque fermeture de la vanne avec pour résultat un enchevêtrement de rayures sur la surface de l’embout. L’intégrité de la vanne est compromise aux points d’intersection de ces rayures, une situation que l’on peut qualifier de « perte de ligne d’étanchéité ». Idéalement, la surface de l’embout sphérique ne devrait comporter qu’une seule de ces lignes, identique à chaque fermeture de la vanne. Les embouts sphériques contrôlés parviennent à ce résultat. Les embouts contrôlés sont sphériques mais comportent un méplat situé au sommet de la sphère. Le méplat limite la rotation de l’embout dans un plan unique, autour de l’axe central. Le résultat est l’une des meilleures vannes dans cette catégorie, offrant une ligne d’étanchéité constante et une fermeture reproductible et étanche.

• Une caractéristique supplémentaire à préciser dans une vanne à pointeau est la garniture située en dessous du filetage qui évite la corrosion et l’encrassement des filets en les protégeant de tout contact avec le fluide du système lorsque la vanne est ouverte. Préférez des filetages écrouis ou laminés à froid qui sont plus résistants qui permettent un fonctionnement en douceur et dont la durée de vie est supérieure.

• En outre, les vannes à pointeau de qualité supérieure intègrent un raccord articulé en deux parties situé audessus de la garniture, donc hors d’atteinte par le fluide du système. Cette configuration comprend un pointeau non rotatif. Comme l’embout sphérique non rotatif contrôlé, le pointeau non rotatif ou « embout en V » ne tourne pas avec la tige et ne s’use pas à l’intérieur du siège. Il se déplace uniquement le long de son axe vers le haut ou vers le bas. Il se met toujours en place correctement, offrant ainsi une étanchéité d’une haute fiabilité. En résumé, les embouts en V non rotatifs et les embouts sphériques non rotatifs contrôlés constituent les deux meilleurs choix lors de la spécification des vannes à pointeau DAP.

• Comme pour les vannes à pointeau, les nouvelles technologies offrent de meilleurs choix dans la sélection des vannes à boisseau sphérique. Par exemple, des progrès sont en cours dans la conception des sièges des vannes à boisseau sphérique et plus précisément, dans la manière dont la pression est appliquée sur le siège. L’étanchéité dans les vannes à boisseau sphérique peut être créée par la force exercée par le fluide en mouvement contre le boisseau sphérique. Une force supplémentaire peut cependant s’avérer nécessaire pour compenser les variations de pression et de température. Cette force provient de composants ajoutés lors de la conception du siège. Une des méthodes permettant de fournir cette force supplémentaire réside dans les sièges précontraints. Le principe s’appuie soit sur un siège précontraint par ressort, soit sur un ressort, soit sur un joint torique inséré entre la vis d’extrémité et le siège. Dans le cas de pressions de système élevées, une force s’exerce vers l’aval sur le boisseau sphérique qui comprime le siège aval, ce qui assure l’étanchéité. Pour des pressions de système faibles, le siège précontraint compense la pression du système en appuyant sur le boisseau sphérique pour assurer l’étanchéité. Une autre avancée dans le domaine des vannes à boisseau sphérique DAP se situe au niveau du joint de tige précontraint également appelé joint à lèvre. Dans cette configuration, un ressort contenu dans une enveloppe en PTFE remplace la garniture de tige traditionnelle qui tend à s’user avec le temps. Le ressort applique constamment une force latérale, ce qui maintient une étanchéité positive contre la tige, élément important dans les situations où la pression du système est faible. Les autres avantages que l’on peut citer sont un couple de fonctionnement inférieur, une amélioration des performances et une compensation de l’usure de la garniture.

Choisir le bon transmetteur

Les transmetteurs génèrent le signal électronique destiné au système de commande. Les configurations des transmetteurs électroniques modernes sont très diverses avec notamment des sorties analogiques standard (4 à 20 mA), des signaux de sortie numériques superposés (HART) ou des dispositifs de bus de terrain. Le « bon » transmetteur est le dispositif qui s’intègre facilement dans le schéma de commande d’une application donnée. Malgré la percée des dispositifs de bus de terrain ces dernières années, les schémas de commandes analogiques standard restent actuellement prédominants dans l’industrie de transformation. Le transmetteur standard 4 à 20 mA fournit des données représentatives de l’état du process, se raccorde facilement au système de commande et ne nécessite que rarement des adaptations (ex : carte d’entrée/ sortie). Les transmetteurs avec protocole HART apportent des fonctionnalités supplémentaires en fournissant avec les informations principales des informations secondaires sur le process comme des diagnostics ou un historique de la maintenance. Les transmetteurs HART requièrent normalement une entrée/sortie spéciale afin que les données numériques superposées puissent être utilisées par le système de commande. Ces transmetteurs, avec leurs fonctions avancées, permettent à l’utilisateur de profiter des nombreux avantages offerts par les protocoles de communication numérique tout en restant compatibles avec des installations 4 à 20 mA traditionnelles. Les transmetteurs pour bus de terrain utilisent un véritable protocole de communication numérique qui élimine le besoin d’un câblage individuel entre le transmetteur et le système de commande. Grâce à leur capacité à communiquer directement entre eux et avec les autres composants connectés au bus de terrain, ces dispositifs contribuent à réduire le câblage nécessaire dans un montage d’instrumentation. En plus des fonctionnalités avancées semblables à celles offertes par le protocole HART, les installations avec bus de terrain présentent également plusieurs avantages, notamment une diminution des coûts d’installation, des fonctions de diagnostics et d’interrogation à distance et des possibilités de commande poste à poste. L’installation correcte du transmetteur est d’une importance cruciale. Les propriétaires d’installations doivent examiner ces détails concernant leur site et leur application susceptibles d’en compromettre les performances. Les facteurs à prendre en compte sont les vibrations, la température et les capacités d’accès au dispositif. Certains supports de montage traditionnels pour transmetteur/manifold peuvent se desserrer et transférer tout le poids de l’ensemble sur le raccordement de l’instrument. Une solution efficace consiste à utiliser l’idée d’une boucle d’instrumentation sans filetage et un support de montage pour transmetteur robuste, conçu pour atténuer les effets des vibrations. C’est lorsque vous parvenez à minimiser le nombre de raccords filetés dans votre boucle d’instrumentation que vous pouvez réaliser tous les avantages de votre investissement.

 Bill Menz