Débit de décharge des limiteurs de pression
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Débit de décharge des limiteurs de pression

Une surpression dans une capacité résulte d'une accumulation excessive de matière dans un volume fixe. Dans un procédé continu, cette accumulation provient d'un déséquilibre entre les entrées et les sorties de matière.
Les équipements sont conçus pour supporter une pression maximum. C'est la Pression de Calcul, aussi dénommée Pression de Service (PS) ou encore Pression maximale admissible dans la règlementation européenne. Cette valeur ne doit jamais être dépassée en opération.
La prévention des surpressions fait le plus souvent appel à des corrections automatique telles que des régulations agissant sur des débits d'entrée ou de sortie.
La protection contre les surpressions consiste le plus souvent à décharger l'installation de l'excès de matière responsable de l'excès de pression.
Pour obtenir une fiabilité maximale, cette décharge fait le plus souvent appel à des équipements autonomes ne nécessitant aucune source d'énergie externe, dont la défaillance pourrait être précisément la cause de la supression (perte d'électricité, de fluide moteur, d'automate, ...).
La décharge doit être orientée vers un lieu sûr, afin de ne pas engendrer un risque nouveau:
 - les liquides vers un réseau de collecte
 - les gaz inflammables vers une torchère
 - les gaz toxiques vers un incinérateur
 - ...etc....
Les équipements assurant cette décharge peuvent être:
 - des soupapes conventionnelles ou pilotées
 - des disques de rupture
 - des clapets de respiration qui protègent également la capacité contre le risque de dépression
 - des gardes hydrauliques
Leur dimensionnement consiste à définir:
 - un débit
 - une pression aval dans les conditions de décharge
La pression amont est naturellement la valeur de pression à laquelle l'organe de décharge se déclenche, et qui doit rester sensiblement constante, ... si le dimensionnement est correct.
Le débit de décharge résulte d'un scénario de défaillance. Les scénarios sont identifiés au cours de l'analyse de risques. Certaines défaillances classiques sont listées dans la litérature. Ces listes ne sont pas exhaustives et ne dispensent pas d'une analyse détaillée de chaque procédé. Cependant elles sont utiles en tant que check-list. On peut trouver l'une d'elles dans l'API 521.

Exemples de scénarios de décharge

Incendie

L'équipement est pris dans les flammes d'un incendie alentour, et reçoit un flux de chaleur exceptionnel. La surpression est due à la quantité supplémentaire de vapeur générée par la chaleur absorbée. Est concerné tout équipement contenant un liquide susceptible de se vaporiser, et dont le niveau liquide se situe à une élévation inférieure à 8 mètres de la nappe de liquide en feu. Le feu peut se déclarer au sol mais aussi sur toute plateforme pouvant offrir une rétention pour une nappe de liquide inflammable.

Sortie fermée

Si l'équipement est alimenté en liquide ou en gaz depuis un réseau amont dont la pression est supérieure à sa pression de calcul, celle-ci peut être dépassée en cas de sortie fermée. L'organe de décharge devra être capable d'évacuer le débit maximum d'alimentation (vanne d'alimentation grande ouverte) plus le débit généré dans l'équipement (pour les gaz et vapeurs) à la pression de décharge. A noter que le débit de vaporisation peut devenir nul si la température d'ébullition du liquide à la pression de décharge est supérieure à la température du fluide chauffant.

Panne électrique

Une panne électrique qu'elle soit générale ou ne concernant qu'un appareil induira généralement l'arrêt d'un équipement qui sera la cause de la surpression. Une panne générale pourra conduire à plusieurs décharges simultannées. Si les décharges sont collectées, une contre-pression peut apparaître, qui peut affecter la capacité de chaque organe de décharge.

Perte de refroidissement

Elle est souvent provoquée par une perte d'utilité, mais peut aussi être due à une défaillance de l'alimentation en fluide froid, la défaillance d'un aéroréfrigérant, l'absence de débit de reflux sur une distillation, .... Une surpression peut se produire si un débit de vapeur est alimenté ou généré et ne peut plus être condensé. L'organe de décharge devra être capable d'évacuer le débit maximum d'alimentation (vanne d'alimentation grande ouverte) plus le débit maximum généré dans l'équipement à la pression de décharge.
A noter que le débit de vaporisation peut devenir nul si la température d'ébullition du liquide à la pression de décharge est supérieure à la température du fluide chauffant.
Une panne fréquente concernant les aéroréfrigérant est l'arrêt du ventilateur. Pour autant, la capacité de refroidissement ne devient pas nulle. Une circulation réduite d'air subsiste due à une convection naturelle. L'API 521 indique une capacité résiduelle de 20 à 30% en condensation. Certaines études suggèrent une capacité résiduelle plus faible (10% seulement) si l'équipement est de type à air forcé.

Expansion thermique

Un liquide enfermé dans une capacité ou un tronçon de tuyauterie, en l'absence de toute poche de gaz ou de vapeur, et dont la température s'élève, se dilatera et verra sa pression s'élever rapidement. Une décharge du volume de liquide excédentaire sera nécessaire pour limiter la pression atteinte. Le débit de liquide à évacuer est généralement très faible, et une soupape de petit diamètre (DN20) est généralement largement suffisant. Un calcul précis est proposé par l'API 521.

Excès de chaleur

Pour créer une surpression, la chaleur apportée au système doit provoquer une vaporisation de liquide. L'excès de chaleur peut résulter d'une défaillance de régulation, d'un changement de composition d'un combustible, d'un emballement de réaction, ....

Excès d'apport de vapeur

La surpression peut être due à un débit de vapeur plus important que ce qui peut être évacué, ou un débit d'évacuation/condensation insuffisant. Le débit de décharge devra être au moins égal au débit maximum de vapeur dont le circuit d'alimentation est capable ou pouvant être généré. A noter que le débit de vaporisation peut devenir nul si la température d'ébullition du liquide à la pression de décharge est supérieure à la température du fluide chauffant.

Perte du débit de liquide absorbant

Le débit de décharge devra être au moins égal au débit maximum de gaz ou de vapeur dont le circuit d'alimentation est capable.

Alimentation en substance volatile

Les scénarios d'incidents peuvent être variés: présence inattendue d'une substance volatile, excès de débit d'une substance volatile, .... Le débit de décharge sera fonction du scénario imaginé.

Accumulation d'incondensables

Dans les procédés devant condenser une vapeur, la présence d'incondensable en mélange avec la vapeur, abaisse la température de condensation et réduit la capacité du condenseur jusqu'à éventuellement l'annuler. Le débit de décharge devra être au moins égal au débit maximum d'alimentation en vapeur, dans les conditions de décharge. A noter que le débit de vaporisation peut devenir nul si la température d'ébullition du liquide à la pression de décharge est supérieure à la température du fluide chauffant.

Dysfonctionnement d'une vanne

Clapet anti-retour bloqué ouvert, vanne manuelle ouverte ou fermée par erreur, vanne automatique bloquée ouverte ou fermée, .... Le débit de décharge sera fonction du scénario imaginé.

Dysfonctionnement d'une régulation

La défaillance d'une boucle de régulation peut être due à un capteur, une vanne, ou le système de conduite lui-même. Dans la plupart des cas cela conduit à une vanne de réglage totalement ouverte ou totalement fermée. Le débit de décharge sera fonction du scénario imaginé. Si le débit du scénario dimensionnant de l'organe de décharge est défini par la section de passage d'une vanne de réglage, ceci doit être documenté. Dans la vie des installations, il n'est pas rare d'augmenter la capacité des vannes de réglage pour les adapter à de nouvelles conditions de fonctionnement. Il convient alors de vérifier que les protections contre les surpression sont toujours adaptées.

Défaillance mécanique d'un équipement

  Ce peut être l'arrêt d'une pompe, d'un ventilateur, d'un compresseur, ... entrainant l'arrêt d'un refroidissement, de l'extraction d'une vapeur ou d'un gaz, .... Le débit de décharge sera le débit maximum de gaz ou de vapeur qui ne pourra plus être condensé, soutiré, ....

Rupture de tube d'échangeur

La rupture d'un tube d'échangeur peut intervenir suite à une corrosion, une errosion, une fatigue due à des vibrations, .... Elle met en communication les deux coté de l'échangeur; le fluide à plus haute pression se déversera dans le circuit à pression plus faible. Cela peut induire une surpression dramatique dans le circuit le moins résistant. Même si plusieurs tubes sont fragilisés, il est d'usage de ne considérer la rupture que d'un seul tube à la fois. La rupture d'un tube engendre deux sections d'orifice par lesquels le fluide à plus haute pression peut se déverser. Le débit de décharge sera donc égal au double du débit traversant une section de passage de tube.
A noter que le fluide à haute pression peut être un gaz, se déversant dans un liquide. Le fluide à évacuer pourra alors être, selon la configuration des circuits, soit le gaz se déversant par le tube rompu, soit un volume équivalent de liquide repoussé par le gaz. Selon le cas la section de l'organe protecteur peut être très différente.

Décharge d'une soupape située en amont

Un organe de décharge protégeant un équipement ou un circuit contre une surpression peut évacuer un fluide dans une autre section du procédé et ainsi provoquer en cascade d'autres surpressions et d'autres décharges d'éléments protecteurs. Ceci est une configuration courante des soupapes d'expansion thermique par exemple.

Emballement de réaction chimique

Une surpression dans un système mettant en oeuvre une réaction chimique peut être la conséquence d'une exothermie générant un débit de vapeur ou d'un dégagement gazeux. Les causes peuvent être un feu externe échauffant le mélange réactionnel, une perte de l'agitation provoquant un mauvais mélange des réactifs, une perte du refroidissement laissant dériver la température de réaction, une erreur dans le chargement des réactifs, .... La détermination du débit de décharge de l'organe protecteur, nécessite de connaitre les cinétiques des réactions principales et secondaires ainsi que leur évolution avec la température.

Erreur humaine

L'erreur humaine est à l'origine de tous scénarios impliquant des vannes ouvertes ou fermées par erreur, les erreurs de réactifs ou de dosage de réactifs, ....

Sélection des scénarios pertinents

Les scénarios de surpression sont la conséquence d'une ou plusieurs défaillances simultannées. Défaillance initiatrice du scénario ainsi que défaillance des moyens de prévention et de protection. La fréquence avec laquelle le scénario conduit à une surpression est lié aux fréquences et probabilité d'apparition des différentes défaillances. Elle est analysée lors de l'étude LOPA.
Certains scénarios peuvent apparaitre avec une fréquence très faible, si faible qu'on puisse décider de ne pas les retenir. On accepte alors que l'organe de décharge ne soit pas dimensionné pour en tenir compte.

Sélection de l'organe de décharge

Un limiteur de pression protégeant un équipement ou un circuit est dédié à cet équipement ou ce circuit. Il doit jouer son rôle quelque soit le scénario qui provoque l'excès de pression. Pour chaque équipement ou circuit, plusieurs scénarios pertinents conduisant à une surpression ont pu être identifiés. Pour chacun un débit de décharge différent a pu être calculé, la nature du fluide, la contre-pression générée, peuvent également être différents.
Pour chaque scénario, partant du débit de décharge, de la caractéristique du fluide et des conditions de décharge, la section de passage de l'organe de décharge sera calculée. Le scénario dimensionnant sera celui qui aura besoin de la section de passage la plus élevée.

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