Contrôler l’effet de la pression d'alimentation (SPE) dans un détendeur

Contrôler l’effet de la pression d'alimentation (SPE) dans un détendeur

Wouter Pronk, ingénieur de terrain senior, Swagelok

Les responsables d’un système fluide acheminant du gaz depuis une bouteille observent parfois que la pression à la sortie d’un pressure-reducing détendeur diminue sans raison apparente. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la pression du gaz à l'entrée du détendeur diminue. Nombreux sont les techniciens qualifiés qui s’attendraient à voir la pression de sortie diminuer également. Or, c’est le contraire qui se produit : la pression de sortie augmente. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de la pression d'alimentation (SPE). 

Qu’est-ce que l’effet de la pression d'alimentation (SPE) ?

L’effet de la pression d'alimentation, ou dépendance, se définit comme la variation de la pression de sortie due à une variation de la pression d'entrée ou d'alimentation. Ce phénomène 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 d’un détendeur 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 détendeur 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 détendeur au moyen de la formule suivante :

∆P (sortie) = ∆P (entrée) x SPE

Clapet équilibré ou non équilibré dans un détendeur à ressort

Le détendeur à ressort est le type de détendeur le plus répandu. Un ressort applique une force sur un élément détecteur – une membrane ou un piston – qui commande le clapet situé au-dessus de l'orifice et régule ainsi la pression de sortie.  

Avec un clapet non équilibré, la force exercée par la pression d'entrée pousse le clapet vers le haut et exerce une pression sur une partie du clapet égale à la surface du siège. Par conséquent, toute diminution de la pression d'entrée signifie qu'une force moindre est exercée sur le clapet. Celui-ci s’éloigne alors légèrement du siège sous l’action du puissant ressort de réglage et la pression de sortie augmente. Cette augmentation de la pression de sortie n’est pas suffisante pour contrebalancer complètement la force exercée par le ressort et ramener le clapet dans sa position initiale. Le résultat est une augmentation de la pression de sortie due à l'effet de la pression d'alimentation.

Comme les détendeurs fonctionnent sur la base d’un équilibre des forces, l’intensité du SPE peut être déterminée par le rapport entre l’aire des surfaces sur lesquelles s’exerce la pression pour déplacer le clapet et l’aire des surfaces de détection. Ainsi, le SPE sera minimum avec un petit clapet et un élément détecteur de grande taille, et il sera maximum avec un gros clapet et un élément détecteur de petite taille.

Pour illustrer l'effet d'un dispositif avec clapet non équilibré sur le SPE, diminuons progressivement la pression d'entrée. Avec une pression d'entrée de 80 bar (1160 psig), la pression de sortie est de 3 bar (43,5 psig). Mais lorsque la pression d’entrée est abaissée à 60 bar (870 psig), la pression de sortie monte à 3,7 bar (53,7 psig). Comme la pression d'entrée s’exerce sur l’intégralité de la surface d'un clapet non équilibré, toute variation de la pression d'entrée entraîne une forte variation de la force exercée sur le clapet, d’où une modification plus importante de l'équilibre des forces à l'intérieur du détendeur.

Une méthode courante pour réduire l'effet de la pression d'alimentation, en particulier dans des applications où les débits sont élevés – ce qui nécessite généralement des clapets de grande taille – consiste à utiliser un détendeur à clapet équilibré. Ces détendeurs sont conçus de manière à limiter la surface sur laquelle s’exerce la pression d'entrée. On y parvient en permettant à la pression de sortie plus faible d’atteindre une partie de la face inférieure du clapet par un orifice vertical situé le long de celui-ci et dont l'étanchéité est assurée par joint torique placé autour de la tige inférieure du clapet. Pour ce qui est du SPE, toute variation de la pression d'entrée se traduira par une variation moindre de la force, car la pression s’exerce sur une surface beaucoup plus petite. 

Pour illustrer l’effet de la pression d'alimentation dans un détendeur à clapet équilibré, imaginons que nous diminuons progressivement la pression d'entrée comme nous l’avons fait avec le détendeur à clapet non équilibré. Comme précédemment, avec une pression d'entrée de 80 bar (1160 psig), la pression de sortie est de 3 bar (43,5 psig). En revanche, lorsque la pression d'entrée est abaissée à 60 bar (870 psig), la pression de sortie monte à 3,2 bar (46,4 psig). En fait, même avec une pression d'entrée de 50 bar (725 psig), la pression de sortie se maintient à 3,2 bar (46,4 psig). 

Vous remarquez que l’effet est atténué avec un détendeur à clapet équilibré par rapport au modèle précédent. Un avantage supplémentaire du détendeur à clapet équilibré est sa capacité à limiter le phénomène de perte de charge du siège ou blocage, évitant ainsi de possibles pics de pression à la sortie lorsque le clapet se ferme rapidement. 

Simple détente ou double détente 

For lower-flow applications, like instrumentation analytique par exemple, une autre méthode pour limiter le SPE consiste à réduire la pression en deux étapes. On pourra alors monter deux régulateurs à simple détente en série ou installer un assemblage regroupant les deux détendeurs. Chaque détendeur contrôle les variations de la pression d'entrée jusqu’à un certain point, mais les deux détendeurs parviennent à eux deux à maintenir la pression de sortie à un niveau très proche du point de réglage initial.  

Pour calculer la variation de la pression de sortie avec un dispositif à double détente, on multiplie la variation de la pression d'entrée par le SPE de chaque détendeur selon la formule suivante : 

∆P (sortie) = ∆P (entrée) x SPE₁ x SPE₂

Gardez à l'esprit que l’effet de la pression d'alimentation (SPE) est une relation inverse entre les variables de pression d'entrée et de pression de sortie. La pression à la sortie du premier détendeur va augmenter au fur et à mesure que la bouteille de gaz se vide et que la pression d'entrée diminue. La pression augmente donc à l’entrée du second détendeur, ce qui entraînera une baisse de la pression à la sortie. Comme le premier détendeur subit la grosse baisse de la pression côté entrée et que la pression à sa sortie n’augmente que légèrement, le second détendeur ne doit réagir qu’à une faible augmentation de sa pression d’entrée qui se traduira par une baisse minime de la pression côté sortie.

Le détendeur utilisé dans l’exemple ci-dessous pour illustrer l’effet de la pression d'alimentation est un détendeur de la série KCY. La bouteille de gaz se vide et la pression d’alimentation passe de 172 bar (2500 psig) à 34 bar (500 psig). On suppose que le SPE de chaque détendeur est de 1 %. Comme la pression d'entrée diminue de 138 bar (2000 psig), la pression à la sortie du premier détendeur augmente de 1,3 bar (20 psig). Du fait de cette augmentation, la pression à la sortie du second détendeur ne diminue que de 0,01 bar (0,20 psig). Remarquez comment l’effet est considérablement atténué par rapport aux dispositifs précédents. 

Pour ce qui est de contrôler l’effet de la pression d'alimentation, une configuration à double détente permet généralement d'obtenir de meilleurs résultats qu'un seul détendeur avec clapet équilibré. Dans une application où plusieurs lignes sont alimentées par une seule bouteille de gaz avec la même pression de sortie, les deux options sont envisageables. 

En revanche, si les pressions de sortie sont différentes dans chaque ligne, vous devrez utiliser deux régulateurs à simple détente pour constituer un système de régulation à double détente pour chaque ligne. Dans ce cas, installez le premier détendeur près de la bouteille de gaz et un autre détendeur sur chacune des lignes de process. Souvent, pour limiter le SPE, on installe un dispositif à double détente au niveau de la source d'alimentation en gaz et un détendeur simple au point d'utilisation. Cette configuration redondante équivaut à un dispositif à triple détente, ce qui est inutile dans la grande majorité des applications. Deux détendeurs simples montées en série produiront un SPE minime pour un coût inférieur. 

Conclusion

Lorsque la pression à la sortie d'une bouteille de gaz est régulée par un détendeur, le phénomène appelé effet de la pression d'alimentation est inévitable. À chaque variation de la pression d'entrée correspond une variation de la pression de sortie. Il est possible de minimaliser cet effet dans de nombreuses applications en utilisant un régulateur à simple détente avec clapet équilibré ou en utilisant un régulateur à double détente. Toutefois, si votre source de gaz alimente plusieurs dispositifs nécessitant des pressions différentes, vous aurez peut-être besoin d'utiliser plusieurs régulateurs à simple détente : un près de la source de gaz et un autre sur chaque ligne de process. 

Besoin d’aide pour choisir le régulateur adapté à votre application ? Swagelok peut vous aider à trouver des solutions pour améliorer le fonctionnement de vos propres systèmes. Pour en savoir plus, regardez nos vidéos de conseils pour contrôler l’effet de la pression d’alimentation dans un détendeur ou rapprocher la courbe de débit d’un détendeur de l’horizontale.

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