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Surpression par expansion thermique


Un équipement ou une tuyauterie isolés pleins de liquide, peut voir sa pression augmenter considérablement en cas d'échauffement. L'augmentation de pression est due à la dilatation du liquide, supérieure à l'augmentation du volume du contenant. La pression atteinte est alors sans rapport avec la tension de vapeur du liquide, et peut être très supérieure à celle-ci. C'est une cause très fréquente de déchirure de tuyauterie ou de rupture de joints, occasionnant des fuites dont les conséquences sont redoutées.
Ce scénario typiquement peut se produire dans les cas suivants:
 - un fluide normalement froid est enfermé dans des tuyauteries ou des équipements, et se réchauffe progressivement sous l'effet de la température ambiante, d'un traçage, du rayonnement solaire, ...
 - le fluide coté froid d'un échangeur est isolé alors que le fluide chauffant reste en service 
Par contre si une poche de gaz subsiste dans le volume isolé, l'augmentation de pression est beaucoup plus réduite et ne présente souvent plus de risque de surpression.

Pression atteinte

Variation de pression par expansion thermique de liquidesLa pression maximale pouvant être atteinte dépend des propriétés du liquide:
 - coefficient cubique de dilatation thermique (αv)[1/°C]
 - coefficient de compressibilité (Χ)[1/kPa]
et des propriétés du contenant:
 - coefficient de dilatation thermique du matériau (αl)[1/°C]
 - module d'élasticité du matériau (E)[kPa]
 - rapport épaisseur (e) sur diamètre (d) de l'enceinte (tuyau ou capacité)

La variation de pression accasionnée par l'augmentation de température peut être calculé au moyen de la relation suivante tirée de l'API 521:

Variation de pression par expansion thermique selon API 521
avec:
ΔP: variation de pression [kPa]
ΔT: variation de température [°C]

En pratique cette augmentation de pression peut se trouver fortement réduite par:
 - le manque d'étanchéïté des vannes, clapets qui laisseront s'échapper une fraction du volume de liquide
 - la présence d'une poche gazeuse qui, en se comprimant, absorbera tout ou partie de l'augmentation du volume liquide

Moyens de protection

Interdire la fermeture de certaines vannes

L'analyse de risque sur schéma (HAZOP, ou autre) permet d'identifier les situations pouvant conduire à isoler une portion de circuit plein de liquide. Un moyen de prévention peut être d'interdire la fermeture intempestive de certaines vannes d'isolement. Pour être réellement efficace, cette interdiction doit comporter un moyen physique de blocage de la vanne en position ouverte (chaînage, cadenas, retrait du moyen de manoeuvre, ...). Ces vannes ne pourront être fermées qu'après avoir respecté une procédure destinée à éviter l'enfermement du liquide (après avoir vidangé le tronçon par exemple).
Un système de clé prisonnière peut être utilisé pour sécuriser la manoeuvre des vannes; la fermeture d'une vanne nécessite de libérer une serrure au moyen d'une clé provenant d'une autre serrure associée à une autre vanne, qui ne peut libérer la clé que si la vanne associée est ouverte.
Les vannes ainsi affectées sont repérées sur les schémas comme LO (locked open) ou CSO (car sealed open).

Installer une soupape

Comme pour tout risque de surpression, les équipements peuvent être protégés par la présence d'une soupape capable d'évacuer l'excès de volume de liquide. Sa taille est déterminée par le débit de liquide à évacuer.
Le débit à évacuer peut être évalué par la relation:

    F = αv Q / ρ C

avec:
F: débit de liquide à évacuer [m3/s]
Q: flux thermique absorbé par l'équipement à protéger [Watts]
αv: coefficient d'expansion cubique du liquide [1/K]
ρ: masse volumique du liquide [kg/m3]
C: capacité calorifique du liquide [J/kg/K]

Dans la plupart des cas la plus petite taille de soupape (DN20xDN25) conviendra.

Pression de réglage

Le réglage de la pression d'ouverture de la soupape doit être tel que la pression dans le circuit protégé ne dépasse jamais la pression de calcul de l'élément le plus faible. Ce réglage doit tenir compte de la contre-pression qui peut régner dans le réseau de décharge.
L'élément le plus faible est rarement la tuyauterie elle-même. Si les raccordements sont équipés de brides plates, la rigidité des brides est souvent un des éléments limitants, provoquant une perte d'étanchéïté du joint. Les autres éléments pouvant limiter la résistance du circuit sont à rechercher parmis les vannes et accessoires de tuyauterie.

Schémas d'installation

La configuration la plus classique [1], consiste à évacuer la décharge de la soupape vers un circuit dédié. Cependant si un tel réseau n'est pas disponible, il est possible également d'orienter la décharge en amont d'une des vannes d'isolement [2]. Orienter la décharge de la soupape vers l'aval du circuit risque faire apparaitre un débit liquide là où il n'est pas attendu puisque la vanne d'isolement est fermée. La soupape sera réglée pour s'ouvrir à la pression de calcul du circuit (Ps: pression de service). Si le circuit est constitué d'une succession de plusieurs tronçons isolables [3], chaque tronçon devra être muni de sa propre soupape de protection. Sa décharge pourra être orientée vers le tronçon immédiatement à l'amont. Si les soupapes ne sont pas équipés de souflet d'équilibrage, la pression du tronçon amont affectera la pression d'ouverture de la soupape. Pour être assuré de ne jamais dépasser la pression de calcul du circuit, la soupape sera réglée pour s'ouvrir dès qu'une faible pression différentielle apparaitra (0,5b par exemple). En fonctionnement normal, lorsque les vannes de sectionnement sont ouvertes, les pressions sont normalement quasiment égales et les soupapes resteront fermées. Seule la soupape la plus en amont sera réglée pour s'ouvrir à la pression de calcul du circuit, moins la somme des pressions différentielles provoquées par les soupapes situées en aval.

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