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
La
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 occasionnée par l'augmentation de
température peut être calculée au moyen de la relation suivante tirée de l'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'étanchéité 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
(DN20×DN25) 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 limitant, provoquant une perte d'étanchéité 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 apparaître 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 soufflet 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 apparaîtra (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.