Choisir un régulateur
Les régulateurs de pression ont une fonction essentielle dans de nombreux systèmes fluides et d’instrumentation industriels, où ils aident à maintenir ou à contrôler la pression et le débit souhaités lorsque les conditions du système varient. Pour ces raisons, il est important de sélectionner et d’installer des régulateurs de pression capables de répondre aux besoins spécifiques de votre application. Cependant, comme il existe de nombreux types de régulateurs sur le marché, chacun avec des fonctionnalités particulières, le bon choix n’est pas toujours intuitif. Dans ce livre blanc, nous décrivons une procédure simplifiée en cinq étapes que vous pouvez suivre pour évaluer vos besoins et choisir un régulateur adapté a vos besoins.
L’importance d’une pression bien régulée
Le bon fonctionnement d’un système fluide industriel dépend de certains paramètres – température, débit et pression du fluide – qui doivent être réglés avec précision. De nombreux composants du système participent au maintien de ces paramètres, parmi lesquels le régulateur de pression qui est l’un des plus importants.
Vu la grande diversité des régulateurs de pression disponibles sur le marché, il est important de choisir le modèle qui va permettre à votre système fluide ou analytique de fonctionner comme prévu et en toute sécurité. Un régulateur inadapté peut nuire à l’efficacité et aux performances du système, entraîner de nombreuses réparations et mettre le personnel en danger.
Votre aptitude à choisir le régulateur optimal nécessite de bien connaître les différents types de régulateurs, de comprendre leur fonctionnement et de savoir comment les utiliser pour répondre aux besoins de votre système. Ces connaissances vous permettront de faire un choix éclairé et efficace.
Pour vous aider dans ce choix, nous avons mis au point une procédure simplifiée en cinq étapes, applicable à la plupart des systèmes fluides et analytiques industriels.
Que se passe-t-il si l’on a installé un régulateur inadapté ?
Les régulateurs de pression sont conçus pour contrôler la pression du système en fonction des variations des paramètres. Si le régulateur installé n’est pas adapté, vous observerez probablement une augmentation ou une diminution de la pression en aval.
Dans les deux cas, cela peut nuire à la qualité de la production ou à la sécurité du process. Une chute de pression inattendue peut entraîner des dysfonctionnements du système ou des problèmes au niveau du process. Une hausse inattendue de la pression peut quant à elle endommager des matériels d’analyse sensibles ou, dans le pire des cas, créer un risque pour la sécurité du personnel.
Étape 1 : Connaître les conditions du process
Pour bien choisir un régulateur, il faut d’abord bien connaître les pressions, températures et débits du système, et s’assurer que les matériaux de fabrication du régulateur sont compatibles avec le fluide mis en œuvre.
Composition du fluide du process
Les fluides – liquides et gaz – se comportent différemment, ce qui peut avoir une incidence sur le choix de votre régulateur. Par exemple, un régulateur de gaz pourra gérer un débit plus important si le gaz a une faible densité et un débit moindre si le gaz a une densité élevée. Des détails comme celui-ci auront une incidence sur le dimensionnement du régulateur (voir la figure 1).
Pressions nominales
Étant donné que la fonction principale d’un régulateur est de contrôler la pression, il est essentiel de s’assurer que le régulateur est adapté aux pressions maximale et minimale de votre système ainsi qu’aux pressions d’exploitation normales attendues.
Compte tenu de leur importance pour bien choisir un régulateur, les plages de régulation – illustrées par les courbes de débit correspondantes – figurent généralement dans les caractéristiques techniques de ces produits. Voici deux questions importantes à se poser avant de faire son choix :
1. Quelle relation y a-t-il entre la pression de sortie et le débit prévu ?
2. Souhaite-t-on que la pression de sortie reste la même à un débit minimal, normal et maximal ?
Température
La température d’exploitation de votre système fluide peut également influer sur le choix et le fonctionnement du régulateur. Au moment de faire votre choix, assurez-vous de bien connaître les températures d’exploitation prévues ainsi que l’influence d’autres facteurs environnementaux sur ces températures.
Certains fluides voient leur température radicalement changer lorsque leur pression varie. Or, le rôle du régulateur est justement de modifier la pression. Ce phénomène est appelé l’effet Joule-Thomson. Le gaz naturel comprimé, par exemple, peut voir sa température passer de 20°C à -65°C lorsqu’il subit une chute de pression (voir la figure 2). Si vous n'avez pas fait les adaptations nécessaires dans votre système de fluide, un changement aussi radical peut provoquer le gel de votre régulateur, l'empêchant de faire son travail. Dans une telle situation, vous devrez peut-être installer des équipements chauffants supplémentaires pour éviter que le régulateur ne gèle. Des outils permettent de calculer l’effet Joule-Thomson dans votre système. Par ailleurs, collaborer avec le fabricant du régulateur vous permettra souvent de prévoir les conséquences de ce phénomène.
Compatibilité des matériaux
Il est également indispensable de s’assurer que le fluide du système est compatible avec toutes les pièces du régulateur. Des matériaux incompatibles peuvent raccourcir la durée de vie des composants et provoquer de très nombreuses mises à l’arrêt du système.
Par exemple, certains composants internes de votre régulateur pourront être détériorés par le fluide du système, alors que l’aspect extérieur du régulateur semble parfaitement normal. Si une certaine détérioration naturelle des composants en caoutchouc et en élastomère est normale, certains fluides peuvent toutefois accélérer cette détérioration et provoquer une défaillance prématurée du régulateur (voir la figure 3).
Maintenant que toutes les conditions de service attendues du système ont été évaluées, vous pouvez passer à l’étape 2.
Étape 2 : Déterminer ses besoins de régulation
Il existe deux principaux types de régulateurs : les détendeurs de pression et les déverseurs. Votre choix dépendra de la fonction que votre régulateur doit remplir.
Les détendeurs régulent la pression du fluide acheminé vers le process en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval.
Les déverseurs régulent la pression du fluide provenant du process en détectant la pression d’entrée et en contrôlant la pression en amont.
Le meilleur choix pour votre application dépend des besoins du process. Si vous devez réduire la pression d’un fluide provenant d’une source haute pression avant que celui-ci n’atteigne le process principal, vous opterez pour un détendeur. Les déverseurs, en revanche, servent à contrôler et à maintenir la pression en amont en évacuant les surpressions lorsque la pression du système devient supérieure au niveau souhaité (voir la figure 4).
Utilisé à bon escient, chaque type de régulateur peut vous aider à maintenir le niveau de pression souhaité dans un système.
Fonctionnement d’un régulateur de pression
Une fois que vous avez déterminé la fonction que votre régulateur devra remplir, il peut être utile de connaître les différents éléments qui œuvrent ensemble pour parvenir au résultat souhaité.
Les régulateurs sont constitués des éléments suivants :
• Un élément de charge, généralement un ressort ou un dôme, en fonction des besoins de l’application. L’élément de charge exerce une force verticale descendante compensatrice sur la partie supérieure de la membrane.
• Un élément détecteur, généralement une membrane ou un piston. L’élément détecteur permet au clapet de monter et de descendre dans le siège et de réguler ainsi la pression d’entrée ou la pression de sortie.
• Un élément régulateur, composé d’un siège et d’un clapet. Le siège aide à contenir la pression et empêche le fluide de fuir lorsque le régulateur est en position fermée. Le clapet vient compléter le dispositif d’étanchéité du régulateur lorsque le fluide circule.
Ensemble, ces trois éléments s’efforcent de maintenir la pression au niveau souhaité. Le piston ou la membrane détecte la pression en aval (sortie). L’élément détecteur équilibre ensuite la force exercée par l’élément de charge – qui a été réglée par l’utilisateur à l’aide d’une poignée ou d’un mécanisme équivalent – en éloignant ou en rapprochant le clapet du siège. Ensemble, ces éléments maintiennent cet équilibre, ce qui permet de maintenir la pression au niveau qui a été réglé. Si l’une des forces varie, une autre force doit aussi varier pour rétablir l’équilibre.
Dans les régulateurs, quatre forces différentes doivent être en équilibre (voir la figure 5). Ces quatre forces sont la force de charge (F1),la force exercée par le ressort d’entrée (F2), la force exercée par la pression de sortie (F3) et la force exercée par la pression d’entrée (F4). L’intensité de la force de charge doit impérativement être égale à l’intensité de la résultante des trois autres forces.
Les déverseurs fonctionnent de la même manière. Dans un déverseur, les trois forces suivantes doivent être en équilibre : la force exercée par le ressort (F1), la force exercée par la pression d’entrée (F2) et la force exercée par la pression de sortie (F3), comme le montre la figure 6. Ici, l’intensité de la force exercée par le ressort doit impérativement être égale à l’intensité de la résultante des forces exercées par la pression d’entrée et par la pression de sortie.
Une fois que vous avez déterminé le type de régulateur adapté à vos besoins, passez à l’étape 3.
Étape 3 : Comprendre le comportement d’un régulateur de pression
Une fois qu’un régulateur a été installé, il est important de tenir compte de certains facteurs pratiques. Souvenez-vous qu’un régulateur est un dispositif purement mécanique qui ne contient aucune électronique pour contrôler ou détecter la pression. C’est pourquoi il est important de bien comprendre plusieurs comportements normaux des régulateurs sur le terrain.
Courbe de débit
Les courbes de débit représentent les performances réelles d’un régulateur de pression pour un ensemble donné de paramètres du système (voir la figure 7). Elles représentent les variations de la pression de sortie (axe vertical) en fonction du débit en aval (axe horizontal) du régulateur. La partie la plus horizontale de la courbe correspond à la pression que le régulateur sera capable de maintenir même en cas de fortes variations du débit. La partie la plus à droite de la courbe indique le moment où le régulateur sera complètement ouvert et incapable de maintenir une pression constante. Dans cette zone de la courbe – à partir du point où la pression commence à chuter rapidement pour se rapprocher de zéro –, le clapet atteint la limite de sa course, ce qui ne lui permet plus de réguler la pression. À ce stade, le régulateur se comporte davantage comme un orifice d’étranglement que comme un dispositif de régulation de la pression.
Lock-up
Le phénomène appelé « lock-up » ou « perte de charge du siège » se produit dans la toute première partie de la courbe de débit. Il correspond à une chute de la pression juste au-dessus du point de consigne qui est nécessaire pour fermer complètement le régulateur et arrêter l’écoulement. Quand le fluide circule – lorsque l’on ouvre une vanne, par exemple – la courbe de débit du régulateur montre une chute de pression jusqu’au point de consigne. Si la perte de charge du siège est un phénomène normal dans un régulateur, une conception bien pensée permet de le limiter.
Baisse graduelle de la pression de sortie
Il s’agit d’un phénomène courant dans les régulateurs, qui commence juste après le phénomène de lock-up. Il se produit lorsque la demande de débit amène le clapet du régulateur à s’ouvrir plus largement. Le ressort se détend alors jusqu’à perdre progressivement de sa force, entraînant une baisse graduelle de la pression de sortie. Si on peut s’attendre à observer le phénomène à certains débits avec n’importe quel régulateur, il est cependant préférable de maintenir la courbe de débit le plus proche possible de l’horizontale avant que la pression ne commence à baisser. C’est pourquoi il est si important de sélectionner la configuration de régulateur la plus adaptée à votre application.
Effet de la pression d’alimentation (SPE)
L’effet de la pression d’alimentation (SPE), ou dépendance, se définit comme la variation de la pression de sortie due à une variation de la pression d’entrée (voir la figure 8). Ce phénomène contre-intuitif se manifeste par une variation de la pression d’entrée et de la pression de sortie dans des sens opposés. Si la pression d’entrée diminue, on observe alors une augmentation de la pression de sortie. À l’inverse, si la pression d’entrée augmente, la pression de sortie diminue.
Les caractéristiques du SPE attendu d’un régulateur sont généralement fournies par le fabricant. Le SPE est généralement exprimé comme un pourcentage de la variation de la pression de sortie par rapport à la variation de la pression d’entrée. Prenons pour exemple un régulateur dont le SPE de 1/100 ou 1 % : une baisse de 100 psi de la pression d’entrée entraînera une hausse de 1 psi de la pression de sortie. On peut estimer la variation de la pression de sortie d’un régulateur au moyen de la formule suivante :
Une méthode courante pour réduire le SPE, en particulier dans des applications où les débits sont élevés – ce qui nécessite généralement des clapets de grande taille – consiste à utiliser un régulateur à clapet équilibré. Le SPE peut également être atténué avec un système de régulation à double détente. Le premier régulateur abaisse la pression d’entrée, ce qui provoque une chute de pression minimale dans le second régulateur. Cela étant, toutes les applications ne requièrent pas un tel dispositif. Vous devrez pouvoir communiquer avec votre fournisseur pour déterminer la meilleure configuration en fonction de vos besoins particuliers.
Maintenant que vous connaissez ces phénomènes importants, il est temps de passer à l’étape 4.
Étape 4 : Déterminer l’élément de charge adapté
Comme nous l’avons vu précédent, l’élément de charge exerce une force verticale descendante compensatrice sur la partie supérieure de l’élément détecteur afin de réguler la pression. Les deux éléments de charge les plus répandus sont les ressorts et les dômes.
Régulateur à ressort
Les régulateurs à ressort sont les plus courants et sont généralement mieux connus des opérateurs. Dans ce type de régulateur, un ressort exerce une force sur l’élément détecteur – une membrane ou un piston – qui rapproche ou éloigne le clapet de l’orifice, ce qui permet de réguler la pression en aval. Ils constituent une solution fiable dans de nombreuses applications à usage général.
• Est réglé par un opérateur à l’aide d’une poignée qui contrôle la force qu’exerce le ressort sur l’élément détecteur
• Contient un ressort qui exerce une force verticale descendante compensatrice sur l’élément détecteur (généralement une membrane ou un piston) pour réguler la pression
• Est un choix judicieux pour les applications à usage général
Un détendeur à ressort :
• Régule la pression du fluide acheminé vers le process en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval
• Aide à réduire la pression d’une source de gaz sous haute pression
Un déverseur à ressort :
• Régule la pression du fluide provenant du process en détectant la pression d’entrée et en contrôlant la pression en amont
• Aide à contrôler et à maintenir la pression en amont en évacuant les surpressions
Régulateur à dôme
Les régulateurs à dôme régulent la pression d’une manière plus dynamique et la stabilisent davantage lorsque le débit varie. Dans ce type de régulateur, la force n’est pas contrôlée par un ressort, mais par un gaz sous pression contenu dans la chambre d’un dôme. Le gaz incurve une membrane qui éloigne le clapet de l’orifice et régule la pression. Ils offrent plusieurs avantages, notamment une précision accrue, un SPE moindre et une baisse graduelle moins importante.
• Contient un dôme qui exerce une force verticale descendante compensatrice sur l’élément détecteur (généralement une membrane ou un piston) pour réguler la pression
• Se sert de la pression d’un fluide à l’intérieur du système, qui est utilisée pour exercer une force déterminée sur l’élément détecteur
• Offre une plus grande précision dans certaines applications sensibles
Un détendeur à dôme :
• Régule la pression du fluide acheminé vers le process en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval
• Aide à réduire la pression d’une source de gaz sous haute pression
Un déverseur à dôme :
• Régule la pression du fluide provenant du process en détectant la pression d’entrée et en contrôlant la pression en amont
• Aide à contrôler et à maintenir la pression en amont en évacuant les surpressions
Les régulateurs à dôme peuvent être incorporés dans de nombreuses configurations différentes pour maintenir une courbe de débit très proche de l’horizontale. On peut leur associer des régulateurs pilotes et des lignes de rétroalimentation externe pour obtenir des réglages très précis lorsque l’application l’exige.
Souvenez-vous que tous les régulateurs sont plus ou moins sujets au phénomène de baisse graduelle de la pression de sortie. Dans certains systèmes, ce phénomène peut être toléré. En revanche, s’il est indispensable de maintenir une pression constante lorsque le débit varie, une configuration plus sophistiquée pourra aider à atteindre ce résultat.
À ce stade, vous devriez avoir une meilleure idée du type de régulateur qui va répondre aux besoins de votre système. Vous devriez également être plus à même d’anticiper les effets de certains comportements normaux des régulateurs sur les performances du système. Enfin, vous devriez être capable de déterminer l’élément de charge approprié pour obtenir les résultats souhaités. Maintenant, il est important d’observer certaines bonnes pratiques établies une fois votre régulateur installé et opérationnel, ce que nous aborderons à l’étape 5.
Étape 5 : Observer quelques bonnes pratiques opérationnelles
La réussite de votre application nécessite non seulement de choisir le bon régulateur, mais aussi d’observer de bonnes pratiques de maintenance pendant toute la durée de vie du produit. Comme tout autre équipement industriel, votre régulateur subira une usure naturelle durant son exploitation. De bonnes pratiques de maintenance vous permettront toutefois de maximiser l’utilité du régulateur et la sécurité de votre système fluide.
Le problème le plus courant qui résulte de mauvaises pratiques de maintenance est le phénomène d’augmentation graduelle de la pression de sortie. Ce phénomène ne correspond pas à un comportement normal du régulateur. Il se produit lorsque des corps étrangers créent un espace très mince entre le siège et le clapet du régulateur (voir la figure 9). Par conséquent, du fluide s’écoule de manière intempestive à travers le siège, entraînant de ce fait des augmentations non souhaitées de la pression en aval. La situation peut devenir problématique et dangereuse si les composants en aval ne sont pas prévus pour des pressions d’un tel niveau.
Plusieurs mesures doivent être prises pour atténuer ce phénomène et ses effets :
Filtration
Un filtre efficace placé en amont permettra de s’assurer de la propreté du fluide qui traverse le régulateur. Le filtre devra être nettoyé régulièrement ou remplacé, si nécessaire, pour offrir un degré de filtration approprié.
Soupapes
Une soupape peut être installée en aval de votre régulateur pour atténuer les effets d’une augmentation de la pression.
Pièces de rechange
Stocker des kits de réparation pour votre régulateur vous permettra de résoudre rapidement tout problème. Ne pas avoir ces kits à disposition vous expose à devoir mettre votre système à l’arrêt en attendant de recevoir les pièces de rechange en cas de problème.
Ressources supplémentaires
Suivre ces étapes peut vous aider à bien choisir votre régulateur. Cependant, il se peut que ces considérations n’englobent pas l’ensemble des besoins spécifiques de votre système. Votre fournisseur devrait pouvoir vous apporter des conseils supplémentaires si des questions viennent à se poser.
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