Jusqu'à présent, les applications cryogéniques nécessitant une étanchéité par vanne bidirectionnelle utilisaient principalement deux types de vannes : les vannes à globe et les vannes à bille fixe (ou vannes à bille fixe à montage supérieur). Cependant, grâce au développement réussi de la vanne à bille cryogénique bidirectionnelle, les concepteurs de systèmes disposent désormais d'une solution plus intéressante que les vannes à bille traditionnelles.vannes à bille flottantesIl présente un débit plus élevé, aucune restriction quant à la direction d'écoulement ou d'étanchéité du fluide, et peut fonctionner en toute sécurité en conditions cryogéniques. De plus, il est plus compact, plus léger et de conception plus simple.
Les scénarios d'application cryogénique nécessitant des vannes comprennent l'entrée/sortie des réservoirs de stockage pour le remplissage et la vidange, la pressurisation des pipelines vides fermés, la gazéification et la liquéfaction, les pipelines polyvalents pour divers systèmes dans les terminaux GNL, les systèmes de transport maritime et les pétroliers, les systèmes de distribution, les stations de pompage et les stations de remplissage de carburant GNL, ainsi que les ensembles de vannes à gaz naturel (GVU) liés aux moteurs à double carburant sur les navires.
Dans les scénarios d'application mentionnés ci-dessus, les vannes d'arrêt à deux voies sont généralement utilisées pour contrôler et interrompre le flux du fluide. Comparées à d'autres types tels quevannes à bille, ils ont plusieurs problèmes :
Le coefficient de débit (Cv) est faible - cela affectera le choix de toutes les tailles de tuyaux pertinentes et deviendra un goulot d'étranglement potentiel limitant la capacité de débit du système.
Il est nécessaire de configurer des actionneurs linéaires pour assurer les fonctions de fermeture et de contrôle. Comparés aux actionneurs rotatifs rectangulaires utilisés pour commander et actionner les vannes à boisseau sphérique et autres vannes rotatives rectangulaires, ce type d'équipement présente une structure plus complexe et un coût plus élevé. Le coût et la complexité structurelle d'un ensemble complet de vannes et d'actionneurs sont des facteurs déterminants.
• Si la vanne d'arrêt est utilisée pour réaliser la fonction d'arrêt d'urgence requise par de nombreux systèmes GNL, la complexité sera encore plus élevée.
Pour les petites installations de GNL (SSLNG), les problèmes ci-dessus seront plus évidents, car ces systèmes doivent être plus petits, plus rentables et avoir la plus grande capacité de débit afin de raccourcir le cycle de chargement et de déchargement.
Le coefficient de débit d'une vanne à bille est supérieur à celui d'une vanne à soupape de même dimension. Autrement dit, leur taille réduite n'altère en rien le débit. Il en résulte une réduction significative de la taille, du poids et du coût de l'ensemble du réseau de tuyauterie, voire du système complet. Parallèlement, le retour sur investissement (RSI) des systèmes concernés s'en trouve considérablement amélioré.
Bien entendu, les vannes à flotteur cryogéniques standard sont unidirectionnelles, ce qui ne convient pas aux scénarios mentionnés ci-dessus qui nécessitent une étanchéité bidirectionnelle.
Sens unique ou sens bidirectionnel
Comme illustré sur la figure 1, la vanne à bille flottante standard pour conditions cryogéniques possède un orifice de décompression en amont de la bille afin d'éviter l'accumulation et la montée en pression lors d'un changement de phase du fluide. Lorsque la vanne est fermée, le gaz naturel liquéfié contenu dans la cavité du corps de vanne s'évapore et se dilate, son volume pouvant atteindre 600 fois son volume initial après dilatation maximale, ce qui risque de provoquer l'éclatement de la vanne. Pour prévenir ce problème, la plupart des vannes à bille flottantes standard sont équipées d'un mécanisme de décompression à ouverture en amont. De ce fait, les vannes à bille traditionnelles ne conviennent pas aux applications nécessitant une étanchéité bidirectionnelle.
C’est dans ce contexte que la vanne à flotteur cryogénique bidirectionnelle révèle tout son potentiel. La différence entre cette vanne et une vanne cryogénique unidirectionnelle standard réside dans :
· Il n'y a pas d'ouverture sur la bille de la soupape pour relâcher la pression
• Il peut assurer l'étanchéité du fluide dans les deux sens
· Il n'y a pas d'ouverture sur la bille de la soupape pour relâcher la pression
• Il peut assurer l'étanchéité du fluide dans les deux sens
Dans la vanne à flotteur cryogénique bidirectionnelle, le siège de soupape à ressort bidirectionnel remplace le mécanisme de décharge de pression d'ouverture en amont. Ce siège à ressort permet de relâcher la surpression générée par le gaz naturel liquéfié contenu dans la cavité du corps de la vanne, empêchant ainsi son éclatement, comme illustré sur la figure 2.
De plus, le siège de soupape à ressort contribue à maintenir la soupape à un couple plus faible et à assurer un fonctionnement plus fluide dans des conditions cryogéniques.
La vanne à flotteur cryogénique à deux voies est équipée d'un joint d'étanchéité secondaire en graphite, lui conférant une fonction de sécurité incendie. Sauf en cas d'accident grave provoquant la combustion des pièces en polymère de la vanne, le joint secondaire n'entre pas en contact avec le fluide. En cas d'accident, ce joint secondaire assure la protection contre l'incendie.
Avantages des vannes à deux voies
Comparée aux vannes à globe et aux vannes à boisseau sphérique fixes et à montage supérieur, la vanne à boisseau sphérique cryogénique à flotteur bidirectionnelle présente tous les avantages d'une vanne à boisseau sphérique à coefficient de débit élevé, sans restriction quant au sens du fluide et de l'étanchéité. Elle peut être utilisée en toute sécurité en conditions cryogéniques ; ses dimensions sont relativement compactes et sa structure relativement simple. L'actionneur associé est également relativement simple (rotation à angle droit) et miniaturisé. Ces avantages permettent d'obtenir un système complet plus petit, plus léger et plus économique.
Comparée aux vannes à globe et aux vannes à boisseau sphérique fixes et à montage supérieur, la vanne à boisseau sphérique cryogénique à flotteur bidirectionnelle présente tous les avantages d'une vanne à boisseau sphérique à coefficient de débit élevé, sans restriction quant au sens du fluide et de l'étanchéité. Elle peut être utilisée en toute sécurité en conditions cryogéniques ; ses dimensions sont relativement compactes et sa structure relativement simple. L'actionneur associé est également relativement simple (rotation à angle droit) et miniaturisé. Ces avantages permettent d'obtenir un système complet plus petit, plus léger et plus économique.
Le tableau 1 compare la vanne à bille flottante cryogénique bidirectionnelle avec d'autres vannes aux fonctions similaires du point de vue de la maintenance, de la taille, du poids, du niveau de couple, de la difficulté de contrôle et du coût global, et résume de manière exhaustive ses avantages et ses inconvénients.
Si une petite installation de GNL s'affranchit des conventions et adopte une vanne à boisseau sphérique cryogénique à deux voies, elle peut pleinement exploiter les avantages uniques de ce type de vanne : diamètre maximal, débit élevé et débit de refoulement important. De plus, elle permet d'utiliser des conduites de plus petit diamètre tout en conservant le même débit, ce qui réduit le volume total, le poids et la complexité du système, et par conséquent le coût de la tuyauterie.
L'article précédent présentait les avantages de l'utilisation de cette vanne comme vanne d'arrêt. Utilisée comme vanne de régulation, ces avantages sont encore plus marqués. L'emploi d'une vanne à boisseau sphérique rotative à angle droit permet de simplifier considérablement le système d'automatisation, ce qui en fait une option intéressante pour les systèmes cryogéniques.
Le contenu le plus élémentaire du kit d'automatisation susmentionné est la vanne à flotteur cryogénique bidirectionnelle simple et pratique, et l'actionneur rotatif rectangulaire de structure simple et à haut rapport coût-efficacité.
En résumé, la vanne à flotteur cryogénique bidirectionnelle présente un intérêt majeur pour les systèmes de canalisations cryogéniques. Dans les petites installations de GNL, elle peut pleinement exploiter ses avantages.
Ces dernières années, ce nouveau produit a été validé par des applications pratiques, prouvant ainsi son impact positif sur le coût du projet et la fiabilité du fonctionnement à long terme du système.
Date de publication : 17 juin 2021