Un robinet à tournant sphérique retient du liquide dans la cavité de son corps, l’espace autour de la sphère entre les deux sièges, lorsqu’il est complètement fermé et, dans bien des modèles, complètement ouvert. Quand ce liquide piégé se réchauffe, la pression dans la cavité monte vite : dans une cavité rigide, l’eau gagne environ 2 bar par °C vers 10 °C et de 12 à 14 bar par °C entre 60 et 80 °C. Quand elle gèle, la glace occupe environ 9 % de volume de plus. Les solutions : une voie de décharge définie sur les conduites de liquide qui se réchauffent pendant qu’elles sont isolées, et une vidange avec la sphère à environ 45° avant le froid.
Où le liquide reste piégé
Les sièges assurent l’étanchéité contre la sphère; la sphère, les sièges et le corps forment donc une poche fermée. En position complètement fermée, le passage de la sphère fait partie de cette poche. En position complètement ouverte, bien des modèles isolent encore la poche de l’écoulement. En position entrouverte, à environ 45°, la poche communique avec la conduite et peut se vidanger.
ASME B16.34, la norme des robinets et vannes à brides, filetés et à extrémités à souder, avertit que le liquide piégé dans la cavité centrale d’un robinet à double siège peut mettre le robinet en surpression lorsqu’il se réchauffe, et elle laisse la prévention à l’utilisateur. Les petits robinets à tournant sphérique filetés ou à braser suivent souvent plutôt la MSS SP-110; la physique reste la même. La décharge de la cavité est un choix de conception à préciser, et non une caractéristique de tous les robinets à tournant sphérique.
Exemple de calcul : eau refroidie isolée pendant une fin de semaine
Un robinet à tournant sphérique sur une dérivation d’eau refroidie est fermé à 7 °C et à environ 3 bar(g) pour un arrêt de fin de semaine, et l’eau de sa cavité se réchauffe jusqu’aux 25 °C de la salle mécanique.
- Supposez une cavité rigide remplie de liquide : la masse et le volume d’eau sont fixes, donc sa masse volumique reste à la valeur de 7 °C, soit environ 1 000,05 kg/m³.
- Trouvez la pression à laquelle l’eau à 25 °C a cette masse volumique. La formulation IAPWS-95 donne environ 67 bar(g).
- La hausse est d’environ 64 bar, soit à peu près 930 psi.
- Pour comparaison : selon l’ASME B16.34, un corps de vanne industrielle WCB de classe 150 est coté 19,6 bar (285 psig) de -29 à 38 °C, et un corps WCB de classe 300 environ 51 bar (740 psig).
Un vrai robinet n’atteint généralement pas 64 bar, parce que les sièges fléchissent, fuient ou se déforment de façon permanente avant. Ce sont les dommages observés sur le terrain : des sièges en PTFE qui laissent passer en position fermée, un joint de tige ou de corps qui suinte après le réchauffement, et une poignée ou un actionneur qui demande soudain beaucoup plus de couple.
| Température de l’eau | Hausse de pression par °C | Hausse de pression par °F |
|---|---|---|
| 10 °C (50 °F) | 1,9 bar (27 psi) | 15 psi |
| 20 °C (68 °F) | 4,5 bar (66 psi) | 36 psi |
| 40 °C (104 °F) | 8,7 bar (127 psi) | 70 psi |
| 60 °C (140 °F) | 11,8 bar (171 psi) | 95 psi |
| 80 °C (176 °F) | 13,9 bar (202 psi) | 112 psi |
Eau piégée dans une cavité rigide à environ 3 bar(g), valeurs calculées avec l’IAPWS-95.
Une règle empirique citée dans des articles spécialisés donne environ 100 psi par °F. Elle convient à l’eau chaude, mais surestime la hausse pour l’eau refroidie, car l’eau se dilate à peine juste au-dessus de 4 °C. Sur le réchauffement de 18 °C ci-dessus, la hausse atteint tout de même 64 bar.
Dégâts du gel pendant l’hiver canadien
L’eau augmente d’environ 9 % de volume en gelant, et une conduite vidangée peut encore retenir de l’eau dans un robinet laissé fermé ou complètement ouvert. Les données climatiques du SB-1 de l’Ontario fixent la température de calcul de janvier à 2,5 % à -18 °C pour l’hôtel de ville de Toronto et à -20 °C pour Etobicoke, North York et Scarborough; les robinets à tournant sphérique situés dans des stationnements non chauffés, des quais de chargement ou des salles mécaniques à persiennes doivent donc être gardés au chaud ou réellement vides.
- Vidange saisonnière (eau de condenseur, serpentins extérieurs, conduites de boyaux) : vidangez, tournez chaque robinet à tournant sphérique à environ 45° et laissez-le ainsi pour l’hiver, comme le recommande Colorado State University Extension pour les robinets à tournant sphérique des dispositifs antirefoulement. Fermez-le avant le remplissage et ouvrez-le lentement.
- Boucles de glycol : à la bonne concentration, le glycol empêche le gel, mais le glycol piégé se dilate tout de même en se réchauffant.
- Systèmes de gicleurs : la tuyauterie remplie d’eau doit rester à 4 °C (40 °F) ou plus, et les espaces plus froids sont généralement protégés par des systèmes sous air, à préaction ou antigel. La NFPA 25 exige d’actionner les purges auxiliaires des systèmes sous air après chaque déclenchement, avant les périodes de gel et au besoin pendant l’hiver (voir les conseils hivernaux de la NFSA).
Comparaison des solutions de décharge de la cavité
| Solution | Mode de décharge | Sens | À vérifier dans les documents de soumission |
|---|---|---|---|
| Sphère percée (trou de décharge en amont) | Relie la cavité au côté amont en position fermée | Trou orienté vers la source de pression; à traiter comme unidirectionnel | Trou indiqué en amont (décharge en position fermée), flèche de sens d’écoulement sur le corps, orientation sur les dessins |
| Sièges autodéchargeants, sphère flottante | Un siège fléchit et renvoie l’excès de pression de la cavité dans la conduite | Bidirectionnel | Siège indiqué comme autodéchargeant, matériau du siège, limites pression-température |
| Sièges à effet piston simple (SPE), sphère sur tourillons | La pression de la cavité écarte le siège de la sphère et se décharge dans la conduite | Bidirectionnel | SPE ou DPE indiqué pour chaque siège |
| Sièges à double effet piston (DPE), sphère sur tourillons | Les sièges résistent à la pression de la cavité; une soupape de décharge externe est donc nécessaire | Déterminé par la tuyauterie de la soupape de décharge | Pression de tarage de la soupape de décharge et point de rejet |
Certaines sphères ont aussi un trou dans la fente de tige, qui ne décharge la cavité qu’en position ouverte; on l’appelle parfois aussi évent, alors demandez lequel la fiche technique désigne. Pour le GNL, consultez notre guide des vannes cryogéniques BS 6364; pour les compromis de conception, voir robinets à sphère flottante ou sur tourillons.
Liste de vérification sur le terrain
- Repérez les robinets à tournant sphérique qui peuvent rester fermés sur une conduite pleine de liquide pendant qu’elle se réchauffe : isolement d’eau refroidie, équipement hors service, serpentins, échangeurs de chaleur, liquides de procédé.
- Inscrivez le dispositif de décharge dans la nomenclature des robinets (trou de décharge en amont et sens, sièges autodéchargeants, ou sièges DPE avec soupape de décharge externe) et vérifiez que la fiche technique des documents de soumission l’indique.
- Installez les robinets à sphère percée avec le trou vers la source de pression, et indiquez le sens sur les dessins et l’étiquette du robinet.
- Traitez de la même façon la tuyauterie isolée entre deux robinets fermés : gardez un côté ouvert vers le réservoir de dilatation ou installez une soupape de décharge thermique.
- Avant les périodes de gel, vidangez les sections non chauffées et laissez leurs robinets à tournant sphérique à environ 45°.
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