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.
- Une feuille de calcul sur tableur est proposée dans le classeur ProcesssCalc pour aider à faire cette sélection.