Les
équipements sous pression et plus particulièrement ceux contenant un
gaz sous pression ou un liquide surchauffé, sont potentiellement
dangereux. En cas de rupture de l'enveloppe, ils sont capables de
libérer une énergie considérable pouvant provoquer d'importants dégâts.
Au
commencement de l'ère industrielle, des réservoirs sous pression,
construits sans règle établies, ont été la cause d'accidents
dramatiques. Pour palier à cela, aux USA, l'association de
constructeurs de chaudières établi en 1887 les premières règles pour la
constructions des générateurs de vapeur, et en 1915 le premier code
ASME (American Society of Mechanical Engineers) est publié. En France,
la première version du CODAP est publiée en 1943.
Aujourd'hui de nombreux codes sont disponibles, pouvant être dédiés à
certains types d'équipements:
En France:
- CODAP (pour les appareils non soumis à l'action d'une
flamme)
- COVAP (pour les appareils soumis à l'action d'une flamme)
- CODETI (pour les tuyauteries)
AUX USA:
- ASME
Ces codes sont des méthodes de conception, mais aussi des
méthodes de
fabrication et d'inspection. Ils sont le fruit de l'expérience des
fabricants, c'est pourquoi ils intègrent des facteurs de sécurité par
rapport aux valeurs théoriques, et sont révisés régulièrement en
fonction du retour d'expérience.
Sphères
La
forme sphérique
est celle qui résiste naturellement le mieux à une pression intérieure.
Elle nécessitera la plus faible épaisseur de matériau. Mais c'est aussi
la forme la plus difficile à construire, et la plus encombrante à
installer. Elle sera néanmoins réservée aux grandes capacités de gaz ou
gaz liquéfiés sous pression pour lesquelles l'épaisseur d'acier doit
être minimisée.
Ballons
cylindriques
Les formes cylindriques, bien que résistant plus difficilement à une
pression interne ou externe, sont les plus courantes car les plus
faciles à construire.
Ils sont constitués
d'une virole cylindrique et de deux fonds. Pour les
plus petits diamètres, la virole peut être constituée d'un tronçon de
tube. Pour les plus grandes tailles, la virole cylindrique est
construite à partir d'une tôle roulée et soudée. Pour autant son
diamètre doit généralement respecter une valeur normalisée afin de
pouvoir s'adapter aux fonds.
Les fonds sont des pièces préfabriquées, standardisées, soudés à
l'extrémité de la virole ou montés sur une bride.
Types de fonds
Les fonds plats résistent mal à la pression. Les fonds adaptés aux
appareils sous pression sont bombés.
Fond PRC
NF E 81-101
|
Fond MRC
NF E 81-104
|
Fond GRC ou Klopper
NF E 81-102 ou DIN-28011
|
Fond Elliptique ou Korbbogen
NF E 81-103 ou DIN-28013 ou ASME
|
Fond Hémisphérique
|
R> De
r= De/30
h2= R-√[(R-r)²-(Di/2-r)²] |
R= De
r= De/30
h2= R-√[(R-r)²-(Di/2-r)²] |
R= De
r= 0.1De
h2= 0.1935De-0.455e |
R= 0.86De
r= 0.18De
h2= Di/3.8 |
R=0.5Di |
On distingue trois familles de
fonds bombés:
- fonds torisphériques
- fonds elliptiques
- fonds hémisphériques
Les fonds hémisphériques sont ceux qui résistent le mieux à la
pression, mais ils sont les plus difficiles à fabriquer. Ils seront
réservés aux pressions les plus élevées.
Les fonds torisphériques ou en anse de panier se déclinent en
plusieurs profondeurs; dans la normalisation française on distingue par
ordre de résistance croissante à la pression:
- fonds PRC (Petit Rayon de Carre) présentent une faible
profondeur. Ils sont faciles à réaliser mais résistent mal à la
pression. Ils font l'objet de la norme NF E 81-101
- fonds MRC (Moyen Rayon de Carre). Ils font l'objet de la
norme NF E 81-104
- fonds GRC (Grand Rayon de Carre) ou Klopper. Ils font
l'objet de la norme NF E 81-102 ou DIN 28011
En pratique, un compromis est fait entre coût de réalisation et
épaisseur de paroi. Pour les appareils sous pression, les fonds GRC
sont souvent préférés aux fonds PRC et MRC.
Les fonds elliptiques, semi-elliptiques ou Korbbogen ont une
résistance intermédiaire entre GRC et hémisphérique. Ils font l'objet
de la norme NFE 81-103, DIN 28013 ou ASME
Piquages
et raccordements
Les piquages sont des ouvertures dans la paroi de l'appareil destiné à
permettre le remplissage ou la vidange des fluides, l'introduction
d'éléments de mesure, ou la pénétration du personnel pour la
maintenance et l'inspection.
D'un point de vue
mécanique, ces ouvertures, si elles sont importantes,
peuvent réduire la résistance à la pression de la paroi. De même,
plusieurs ouvertures rapprochées, même petites, peuvent affecter la
résistance de la portion de paroi qui les séparent.
Les ouverture pratiquées sont équipées d'une longueur de tube soudé
perpendiculairement à la paroi. Ces tubes, qui peuvent ne mesurer que
quelques centimètres de longueur, peuvent participer au renforcement
local de la paroi. L'épaisseur de ce tube peut être augmentée par
rapport au minimum requis, pour augmenter ce renforcement. Le
renforcement de la paroi autour du piquage peut aussi être obtenu par
soudage d'une épaisseur de tôle supplémentaire sur la virole de
l'appareil.
Les codes de construction définissent les critères de calcul dans les
différentes situations.
Les piquages sont destinés à être raccordés à des tuyauteries,
des instruments de mesure ou d'autres équipements. Le raccordement aux
tuyauteries peut éventuellement se faire directement par soudage. Mais
le plus souvent un raccordement par bride est préféré. Les brides sont
des éléments forgés dont les dimensions sont normalisées, tout comme
les tubes qui les supportent. Elles sont définies par leur diamètre,
leur résistance à la pression, et le type de joint d'étanchéité
qu'elles acceptent. Leur résistance à la pression dépend de la
température de travail.
Les brides sont définies dans les normes ASME B16.5, EN
1759-1, NF E 29-203, ISO 7005, EN 1092-1
Conditions
de calcul
Les conditions de calcul, pression et température, permettent de
choisir le matériau adéquat et de déterminer l'épaisseur des parois de
l'appareil.
Pression
de calcul
La pression de calcul définira la pression maximale que le procédé ne
devra jamais dépasser dans cet appareil. Elle définira souvent le
déclenchement des limiteurs de pression (soupape ou disque
d'éclatement). Elle sera alors appelée pression de service (PS). En
exploitation, la pression maximale en opération devra rester
significativement inférieure à la pression de calcul afin de ne pas
solliciter intempestivement les organes de sécurité. Une marge minimale
de 10% sur la pression est souhaitable.
Contrairement
à la plupart des spécifications du procédé, la pression de calcul des
équipements est exprimée en pression effective ou relative, puisque
l'appareil est destiné à résister aux surpressions par rapport à la
pression atmosphérique.
La pression minimale, si elle est
inférieure à la pression atmosphérique doit aussi être spécifiée. Bien
que la pression externe est limitée à une atmosphère, la résistance de
l'enveloppe de l'équipement aux pressions externes est difficile à
obtenir. Pour ne pas augmenter déraisonnablement l'épaisseur des
parois, des renforts peuvent être disposés pour obtenir cette
résistance. Si la pression minimale est peu inférieure à la pression
atmosphérique, il peut être utile de la préciser, si non il suffit
d'indiquer que l'appareil doit résister au vide absolu.
Température
de calcul
La température de calcul permet de
choisir le matériau adéquat et la valeur de module d'élasticité
utilisée dans le calcul de l'épaisseur.
La température de calcul
minimum, si elle se situe dans le domaine des températures négatives
doit également être spécifiée. Elle conditionnera le choix du matériau
de construction.
Matériau
et épaisseur de la paroi
Domaine
d'emploi des matériaux
Les aciers autorisés en europe pour la construction des appareils à
pression sont listés dans différentes normes:
- produits plats: EN 10028
- tubes sans soudure: EN 10216
- tubes soudés: EN 10217
- pièces forgées: EN 10222
Les aciers sont principalement caractérisés par:
- la
limite
élastique (R
e)
- la
résistance
à la traction (R
m)
- l'
allongement
après rupture (A%)
- la
résilience
(énergie de flexion par choc sur éprouvette ISO V)
Ces caractéristiques varient fortement avec la
température. Re et Rm expriment
toutes deux une contrainte (pression sur la section du matériau).
L'allongement
après rupture doit être supérieur à 14%, et la résilience >27J à
la
température minimale de calcul ou au plus à 20°C.
La température de travail a une influence importante sur les
propriétés mécaniques des aciers.
Les températures basses augmentent la fragilité des aciers et diminue
leur résistance aux chocs. Ceci est mesuré par la résilience.
Les températures élevées diminuent l'élasticité des aciers (baisse de
la limite élastique) et favorisent leur déformation plastique sous
l'effet d'une contrainte. C'est le fluage.
Ceci est mesuré en % de déformation permanente à l'issue d'un temps de
mise sous contrainte (10000 ou 100000h).
Le domaine de températures à l'intérieur duquel les aciers peuvent être
utilisés est limité par:
- pour les températures basses, la valeur de résilience qui
doit être supérieure à 27Joules
- pour les températures élevées, la valeur pour laquelle un
phénomène de fluage apparait.
Calcul
de l'épaisseur
Le
calcul de l'épaisseur d'une enveloppe est une opération complexe qui ne
sera pas détaillée ici. Il fait appel entre autres à la valeur de
contrainte admissible à la température de calcul, et à des coefficients
de sécurité pour le matériau et les soudures.
L'enveloppe
cylindrique d'une capacité soumise à une pression intérieure,
subit un étirement tendant à accroitre son diamètre et alonger le
cylindre sous l'effet de l'effort sur les fonds. Ceci se traduit par
des contraintes dans les deux directions sur la feuille de métal. Ces
contraintes, qui doivent rester inférieures à la contrainte admissible
par le métal, permettent de calculer l'épaisseur minimum de la paroi.
La contrainte s'appliquant sur le longeur du cylindre est deux fois
supérieure à celle qui s'applique sur le périmètre de la virole. C'est
donc elle qui finalement dimensionnera l'épaisseur de la paroi.
Contrainte
admissible et coefficient de joint
Les réglementations et codes de construction prévoient d'appliquer aux
valeurs de limite élastiques ou résistance à la traction des aciers,
des facteurs de sécurité pour tenir compte d'éventuelles variations de
fabrication. Ces facteurs peuvent être différents pour différents codes.
Contrainte admissible selon DESP
Matériau |
Contrainte maximale |
Acier ferritique |
f=mini de 2/3Re/t
ou 5/12Rm/20 |
Acier austénitique |
si A%>30%
f= 2/3Re/t |
si A%>35%
f=mini de 5/6Re/t
ou 1/3Rm/t |
Acier moulé |
f=mini de 10/19Re/t
ou 1/3Rm/20 |
Aluminium |
f= 2/3Re/t |
Aliages d'aluminium |
f=mini de 2/3Re/t
ou 5/12Rm/20 |
Re/t
: limite élastique à la température de calcul
Rm/t : résistance à la traction à la température
de calcul
Rm/20 : résistance à la traction à 20°C
A% : allongement après rupture |
Coefficient de joint selon DESP
|
Coeff de joint |
si soudures intégralement contrôlées |
1 |
si soudures contrôlées par sondage |
0,85 |
si contrôles uniquement visuel des soudures |
0,7 |
Surépaisseur
de corrosion
L'acier carbone est le matériau le plus souvent utilisé en raison de
son faible coût. Son principal inconvénient est la sensibilité à la
corrosion. Cette corrosion peut être interne en raison du procédé, ou
externe en raison des conditions atmosphériques. Une corrosion du métal
abouti à une perte d'épaisseur de la paroi de l'appareil.
Pour ne pas être obligé de réformer un appareil dès la
découverte de
la moindre perte d'épaisseur, il est d'usage de prévoir dès la
conception une surépaisseur de métal. Cette surépaisseur peut être
calculée en fonction de la durée de vie prévue pour l'appareil, et de
la vitesse de corrosion dans le procédé lorsqu'elle est connue. En
l'absence d'information précise, une surépaisseur de 3mm est souvent
recommandée.
Certains procédés obligent à utiliser un acier plus résistant (et aussi
plus coûteux) que l'acier carbone. Les aciers dits "inoxydables", sont
insensibles à la corrosion atmosphérique. Si le procédé lui-même ne
risque pas de provoquer une perte d'épaisseur de métal, il est
raisonnable de ne pas prévoir de surépaisseur de corrosion.
Catégorie
de construction
Le code de calcul français (CODAP)
distingue plusieurs catégories de construction. Par ordre croissant de
fiabilité: C, B2, B1, A
Le choix de la catégorie de construction
appartient à l'acheteur de l'équipement. Il doit s'appuyer sur la
dangerosité du procédé pour lequel il est destiné, ainsi que les moyens
de surveillance et d'inspection disponibles pendant son utilisation.
La dangerosité du procédé est évaluée selon les critères de la
Directive sur les Equipements Sous Pression (DESP).
Epreuve hydraulique
Après construction et avant sa mise en service, l'équipement sous
pression doit être éprouvé. Il s'agit de tester sa résistance à la
pression. La pression d'épreuve est définie par la réglementation.
Avant l'entrée en application de la réglementation européenne, la
pression d'épreuve était en France égale à 1,5 fois la pression maximum
de service. La réglementation européenne (DESP) impose une pression
d'épreuve égale au maximum de:
- 1,43 fois la pression maximale en service
- 1,25 fois la charge maximum de l'équipement
L'épreuve hydraulique consiste à remplir totalement
l'équipement d'un liquide (généralement de l'eau) et à porter sa
pression interne à la valeur requise. Les épreuves sous pression de gaz
ne sont pas autorisées. La rupture brûtale de l'enveloppe de
l'équipement pourrait avoir des conséquences trop dramatiques.
Cette épreuve peut être faite en atelier immédiatement après
la construction de l'équipement, mais devra être périodiquement
réitérée, en place, au cours de sa vie. La structure et les fondations
supportant l'équipement installé devront donc être dimensionnés pour
accepter cette opération. Ceci peut être particulièrement contraignant
pour les équipements très volumineux et destinés en opération à ne
contenir que du gaz.
Charge maximale de l'équipement
La résistance à la pression des équipements dépend de la température à
laquelle elle est appliquée. L'épreuve hydraulique est réalisée à
température ambiante, parfois très éloignée de la température maximale
de travail. Pour en tenir compte, une correction est faite sur la base
de la variation de la contrainte nominale de calcul avec la température:
charge maximum = Ps
fa/
ft
Ps: pression maximale en service
fa, ft: contrainte nominale à température ambiante et à température de travail