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Les opérateurs qui travaillent sur un process comportant une bouteille de gaz observent parfois un phénomène surprenant : la pression de sortie en aval d’un détendeur augmente sans raison apparente. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la pression du gaz à l’entrée du détendeur diminue. On penserait en toute logique que la pression de sortie devrait également diminuer.
 Or, en fait, la pression de sortie augmente, ce qui amène souvent l’opérateur à penser que le détendeur est défectueux.

Plusieurs causes peuvent être à l’origine de ce phénomène, mais l’hypothèse la plus probable n’est pas celle d’un détendeur défectueux. La cause la plus probable est l’effet de la pression d’alimentation (ou SPE pour supply pressure effect), parfois appelé « dépendance ». Il est préférable de réduire au maximum le SPE. Si le SPE d’un détendeur est trop élevé, la variation de la pression peut avoir un impact sur l’efficacité d’un système.

Heureusement, il est possible de gérer le problème du SPE en choisissant le bon régulateur – ou une combinaison de régulateurs – pour une application donnée. Dans de rares cas, vous pourrez réduire le SPE en ajustant manuellement la pression de réglage du régulateur. Mais la plupart du temps, vous devez apporter quelques modifications à la configuration de votre système. Si cela est possible, il est préférable d’effectuer ces changements dès le début, durant la phase de conception du système, plutôt que dans un système existant, car vous pourrez alors rencontrer des problèmes liés notamment à des contraintes d’espace ou à des coûts supplémentaires susceptibles de limiter vos options.

Comprendre le SPE

Le SPE se définit comme la variation de la pression de sortie due à une variation de la pression d’entrée (ou d’alimentation). Si la pression d’entrée diminue, on observe une augmentation correspondante de la pression de sortie. À l’inverse, si la pression d’entrée augmente, la pression de sortie diminue. La pression d’entrée et la pression de sortie varient dans des sens opposés.

Le SPE n’est pas un phénomène périodique dans les applications utilisant des bouteilles de gaz. Il se produit chaque fois que se produit une variation de la pression d’entrée. On ne le remarquera cependant que dans des situations où la pression d’entrée a varié de manière significative, comme lorsqu’une bouteille de gaz s’est vidée et que la pression est passée, disons, de 153 bar (2200 psig) à 35 bar (500 psig).

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. Autrement dit, si le SPE du détendeur est de 1 pour cent (0,01), la variation de la pression de sortie est égale à 1 pour cent de la variation de la pression d’entrée. Par exemple, lorsqu’une bouteille se vide et que la pression passe de 153 bar (2200 psig) à 35 bar (500 psig), la pression de sortie du détendeur augmente alors de 1,2 bar (17 psig). Souvenez-vous que si la pression d’entrée diminue, la pression de sortie augmente et inversement. Les valeurs du SPE varient selon les modèles de régulateurs et sont généralement fournies par le fabricant. Cette valeur peut être donnée sous la forme d’un pourcentage (par exemple, 1,0 pour cent) ou d’un rapport (par exemple, 10:1000).

Pour comprendre l’origine du SPE, il faut regarder à l’intérieur d’un régulateur. Les figures 1a et 1b montrent l’intérieur d’un détendeur à ressort. Il s’agit d’un modèle de base avec un « clapet nonéquilibré ».

Un détendeur fonctionne en équilibrant les forces représentées sur les figures 1a et 1b. Des forces s’exercent sur la membrane et sur le clapet. Ces forces tendent à bloquer l’écoulement vers l’aval, ce qui a pour effet de diminuer la pression de sortie. Elles proviennent de la pression exercée par le fluide du système – à l’entrée (FI) et à la sortie (FO) du détendeur – et de la tension du ressort du clapet (FS2). Une autre force – celle du ressort de tarage du détendeur (FS) – s’exerce vers le bas sur la membrane, ce qui a pour effet d’ouvrir le clapet et d’augmenter la pression de sortie. L’intensité de la force exercée par le ressort est déterminée par le réglage de la pression effectué par l’opérateur.

Sur la figure 1a, la force exercée par la pression d’entrée (FI) sur la totalité de la surface du siège (A1) ainsi que la force exercée par le ressort du clapet (FS2) agissent ensemble pour fermer le clapet. La force exercée par la pression de sortie (FO) sur la face inférieure de la membrane pousse celle-ci vers le haut en amenant le clapet en position fermée contre le siège.

figure 1a

Sur la figure 1b, la force exercée par le ressort (FS ) pousse le clapet en position ouverte. Lorsque l’une de ces forces varie en intensité, les autres agissent de sorte à maintenir l’équilibre.

figure 1b

Avec un clapet non équilibré (Figures 1a et 1b), la force exercée par la pression d’entrée (FI) pousse le clapet vers le haut, la pression s’exerçant sur une partie du clapet égale à la surface du siège (A1).

Par conséquent, une diminution de la pression d’entrée équivaut à une force (FI) de moindre intensité. Du fait de cette diminution de la force (FI), le clapet s’écarte du siège, ce qui augmente la pression en aval (Figure 1b). Dans le même temps, cette augmentation de la pression de sortie ne produit pas une force (FO) suffisante pour contrebalancer la force du ressort de tarage (FS) et pousser la membrane vers le haut de sorte à fermer le clapet pour une valeur identique de la pression de sortie. Celui-ci se fermera avec une pression plus élevée. Ceci donne un aperçu du SPE à l’intérieur d’un détendeur.

Gérer le SPE - Clapets équilibrés

Dans de nombreuses applications, une méthode couramment utilisée pour réduire le SPE consiste à choisir un détendeur avec clapet équilibré (Figure 2) . Cette conception a pour but de permettre une meilleure répartition du contrôle du clapet par les pressions d’entrée et de sortie.

Figure 2

Dans un modèle avec clapet équilibré, un joint torique entoure la tige inférieure du clapet. Ce joint torique empêche la pression d’entrée (FI) d’exercer une force sur la base du clapet (B2). De plus, un orifice traverse le clapet de haut en bas. Cet orifice permet à la pression de sortie (FO), qui est beaucoup plus faible que la pression d’entrée (FI), d’agir sur la base du clapet (B 2). La force qui en résulte est due à la pression d’entrée qui s’exerce sur la surface A2 - B2.

Avec ces modifications dans la conception, la pression d’entrée et la pression de sortie exercent toutes deux une force verticale ascendante sur le clapet pour fermer celui-ci lorsque la pression du système est trop élevée. La pression d’entrée (FI) s’exerce sur la partie non équilibrée du clapet, tandis que la pression de sortie (FO) s’exerce sur la base.

Revenons maintenant à notre scénario et imaginons à nouveau que la pression d’entrée diminue au fur et à mesure que la bouteille de gaz se vide. La force exercée par la pression d’entrée (FI) sur le clapet sera inférieure car la pression s’exerce sur une surface plus petite (A2 - B2). Avec cette conception à clapet équilibré, la pression de sortie exerce une force suffisante pour fermer le clapet et limiter la pression, corrigeant ainsi l’augmentation de la pression en aval. La pression de sortie contre la force du ressort (FS) et pousse à la fois la membrane et la base du clapet vers le haut.

Un avantage supplémentaire des détendeurs à clapet équilibré est la capacité qu’ont ces détendeurs à réduire le phénomène de lock-up ou perte de charge du siège, c’est-à-dire la tendance du clapet à se fermer brusquement lorsque le débit en aval devient nul. Un lock-up excessif n’est pas souhaitable, car cela peut causer un bref pic de pression à la sortie lorsque le clapet se ferme rapidement.

Gérer le SPE - Régulation à double détente

Un détendeur à clapet équilibré est adapté pour réduire le SPE dans de nombreuses applications, en particulier les applications aux débits élevés. Pour les applications aux débits plus faibles, entre autres, une autre méthode pour limiter le SPE consiste à réduire la pression en deux étapes. Ceci peut être réalisé en montant deux régulateurs à simple détente en série ou en combinant les deux détendeurs dans un même assemblage.

Une configuration à double détente gère les variations de la pression d’entrée en deux étapes. Le premier détendeur contrôle cette variation jusqu’à un certain point tandis que le second détendeur la contrôle encore davantage. Ensemble, les deux détendeurs amènent la pression de sortie à un niveau très proche de la valeur souhaitée.

Pour calculer la variation de la pression de sortie avec un régulateur à double détente, on multiplie la variation de la pression d’entrée par le SPE de chaque détendeur, comme le montre la formule suivante :

ΔP (sortie) = ΔP (entrée) x SPE1 x SPE2

Souvenez-vous que si la pression d’entrée diminue, la pression de sortie augmente et inversement. Lorsqu’une bouteille de gaz se vide et que la pression d’entrée diminue, la pression de sortie augmente pour le premier détendeur. Cette augmentation se traduit par une diminution de la pression côté sortie du second détendeur. Cependant, parce que le premier détendeur subit le plus gros du SPE, la diminution de pression relative après le second détendeur est minime.

Revenons à notre exemple d’une bouteille de gaz en train de se vider dans laquelle la pression passe de 153 bar (2200 psig) à 35 bar (500 psig), et supposons que chaque détendeur a un SPE de 1 pour cent. Avec une chute de pression de 118 bar (1700 psig), la pression à la sortie du premier détendeur augmentera de 1,18 bar (17 psig). Du fait de cette augmentation, la pression à la sortie du second détendeur diminuera de 0,0118 bar (0,17 psig). Le résultat net est une diminution minime de la pression qui est seulement de 0,01 pour cent (0,0001) de la chute de pression initiale dans la bouteille (1,18 bar (0,17 psig) = 118 bar (1700 psig) x 0,1 x 0,1). Dès que la pression dans la bouteille devient inférieure à la pression de réglage du premier détendeur, le SPE de ce dernier n’est plus à prendre en compte et seul le SPE du second détendeur est à considérer.

En ce qui concerne le contrôle du SPE, une configuration à double détente permet généralement d’obtenir de meilleurs résultats qu’un seul détendeur avec clapet équilibré. Dans une usine où une source unique de gaz alimente plusieurs dispositifs avec la même pression de sortie, les deux options sont envisageables. En revanche, si l’application requiert que la bouteille de gaz alimente plusieurs dispositifs dont l’un au moins nécessite une pression différente, il faut alors utiliser une configuration à double détente. Dans ce cas, le premier détendeur est placé près de la source de gaz et un détendeur supplémentaire est placé sur chacune des lignes de process.

Dans tout système, veillez à éviter l’erreur courante consistant à utiliser un régulateur à double détente au niveau de la source d’alimentation en gaz et un détendeur simple au point d’utilisation. Une telle configuration est excessive car elle revient à une triple détente.

Gérer le SPE - détenteurs à dôme

Il est également possible d’utiliser un détendeur à dôme unique pour contrôler le SPE. Cette solution est la plus pratique lorsque l’on a affaire à de gros cylindres avec des débits de gaz élevés. Un détendeur à dôme fonctionne pratiquement de la même manière qu’un détendeur à ressort, à cela près que le ressort est remplacé par un dôme sous pression qui exerce une force verticale descendante sur la membrane et le clapet. La figure 3 montre une configuration visant à contrôler le SPE avec un détendeur à dôme. Notez qu’en plus du détendeur à dôme, cette configuration nécessite un régulateur pilote et trois boucles. La première boucle relie le régulateur pilote au dôme du détendeur, afin que le régulateur pilote puisse effectuer des ajustements de la pression dans le dôme en fonction de la pression du système.

La deuxième boucle permet d’évacuer la surpression régnant dans le dôme dans le fluide du système en aval. La troisième boucle est une boucle de rétroalimentation externe. Elle permet au régulateur pilote de mesurer précisément la pression du gaz en aval et d’ajuster rapidement la pression dans le dôme. Parce que ce système effectue des ajustements en fonction de la pression aval réelle, il permet de réduire le SPE de manière efficace.

Dans le cas d’un détendeur à dôme commandé par un régulateur pilote, le SPE des deux régulateurs s’ajoutent pour donner le SPE du système. La présence d’une boucle de rétroalimentation externe permet de compenser les variations de la pression et de réduire encore davantage le SPE.

Gérer le SPE - Réglages manuels

Il est également possible de gérer le SPE en réglant manuellement un détendeur en fonction des indications fournies par un manomètre qui mesure la pression en aval. Cette méthode n’est toutefois pas pratique dans la plupart des situations. Si une bouteille de gaz alimente une application qui nécessite une alimentation continue, la pression de sortie varie sans cesse.
 Cela signifie qu’une personne devra vérifier fréquemment le manomètre situé en aval, et le coût de la main-d’œuvre pourra largement dépasser le coût de la mise en place d’une des configurations décrites plus haut.

Une des rares situations dans lesquelles des réglages manuels peuvent se justifier est celle d’un laboratoire où la demande de gaz provenant de la bouteille est limitée à de courts intervalles et n’est pas continue. Lorsque l’alimentation en gaz est nécessaire, le technicien de laboratoire peut alors procéder à un ajustement occasionnel de la pression de réglage du détendeur.

Dernières réflexions

Lorsqu’un détendeur contrôle la pression à la sortie d’une bouteille de gaz, le phénomène de SPE est toujours présent. À chaque variation de la pression d’entrée correspond une variation de la pression de sortie. On le remarque – ou il devient un problème – uniquement dans certaines situations, par exemple, lorsque la régulation de la pression de sortie doit être très précise, ou lorsque la pression d’entrée varie de manière importante, comme dans le cas d’une bouteille de gaz qui se vide. Il est possible de réduire au maximum le SPE dans de nombreuses applications en utilisant un détendeur unique avec un clapet équilibré ou en utilisant un régulateur à double détente. Mais si votre source de gaz alimente plusieurs dispositifs aux exigences différentes en matière de pression, vous aurez peut-être besoin d’utiliser plusieurs détendeurs à simple détente – un près de la source de gaz et un autre sur chaque ligne de process – pour obtenir une régulation à double détente à chaque point d’utilisation.

Pour des cylindres à gaz de grand volume aux débits élevés, vous pouvez également considérer l’utilisation d’un détendeur à dôme avec retour vers un régulateur pilote. Vous pouvez en outre envisager une gestion manuelle du SPE dans certains cas.

Quel que soit la solution retenue, vous devez toujours essayer de trouver un régulateur adapté à la plage de pressions que votre système sera amené à réguler. En règle générale, l’effet de la pression d’alimentation est plus important avec des régulateurs aux plages étendues qu’avec des régulateurs aux plages plus restreintes. Vous devez choisir un régulateur dont la pression d’entrée et la plage de régulation sont aussi proches que possible des paramètres de l’application.

Michael D. Adkins, Responsable des services techniques à la clientèle et des régulateurs de pression chez Swagelok

Wouter Pronk, Ingénieur principal de projets, régulateurs de pression, Swagelok

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