La multiplication des générateurs de vapeur durant la période de
développement industriel du XIXème siècle et les accidents devenant
plus fréquents ont rendus nécessaires une réglementation obligeant à
installer un moyen de protection contre les surpressions. Le réglage de
la pression d'ouverture des premières soupapes de sécurité, était
obtenu au moyen d'un contre-poids et d'un bras de levier. Les erreurs
de réglage étaient possibles. En 1856 John Ramsbottom imagina un moyen
plus sûr utilisant la force d'un ressort, qui est devenu depuis un
standard. Ce n'est que dans la seconde moitié du XXème siècle que les
technologies de soupape pilotée et de soupape contrôlée ont été
développées.
La surpression dans les équipements est due à une trop grande
quantité de fluide (gaz ou liquide) contenue dans le volume de
l'enceinte. Evacuer cet excès permet de retrouver une pression
acceptable. C'est le rôle des soupapes de décharge.
Le phénomène de surpression est très souvent dynamique: un débit de
fluide entrant ne peut être évacué par le procédé, ou un flux thermique
continu produit des vapeurs en excès, .... La soupape devra évacuer en
continu cet excès.
La fonction d'une soupape de sécurité est d'assurer la
préservation de
la vie des opérateurs, l'intégrité des équipements et l'environnement.
C'est souvent la dernière barrière pour empêcher de dépasser la
pression
de calcul de l'équipement. En aucune façon elle ne peut servir de
régulateur de pression.
En tant que dernière barrière pour empêcher une surpression dramatique,
il est indispensable qu'elles soient efficaces sans recours à une
quelconque assistance externe.
Soupapes conventionnelles à ressort
Ce sont les plus courantes. Le clapet d'obturation est maintenu en
place par l'action d'un ressort. La force exercée par le ressort est
ajustable, permettant de régler la pression de début d'ouverture.
Le clapet d'obturation est soumis aux forces simultanées:
- de pression du procédé à protéger qui tend à le soulever
- d'appuis du ressort qui tend à le plaquer sur le siège
- de pression du circuit d'échappement qui tend à empêcher
son ouverture
La pression du circuit d'échappement, si elle est significative, peut
affecter la pression effective pour laquelle la soupape s'ouvre, et
donc la pression pour laquelle l'équipement est protégé.
Si ce risque est identifié, on devra choisir:
- équiper le clapet d'un soufflet
d'équilibrage,
- un clapet à piston d'équilibrage
Soufflet d'équilibrage
Le clapet est entouré d'un soufflet qui n'entrave pas son mouvement et
dont l'intérieur est relié à l'atmosphère. Ainsi, la face du clapet qui
n'est pas exposée au procédé, n'est plus exposée à la pression du
circuit de décharge.
Un soufflet d'équilibrage peut aussi être requis pour éviter que le gaz
du procédé ne puisse s'échapper à l'atmosphère par le jeu de la tige.
Piston d'équilibrage
Le clapet est conçu de telle manière qu'il présente à la pression du
circuit de décharge deux surfaces égales, l'une dirigée vers le bas et
l'autre dirigée vers le haut. Les deux forces exercées par la pression
du circuit de décharge s'annulent donc.
Levier de manoeuvre
Les soupapes peuvent être équipées d'un levier de manoeuvre destiné à
tester son fonctionnement alors que l'équipement qu'elle protège est en
service. Le levier de manoeuvre doit permettre de soulever le clapet
alors que la pression de l'équipement est au moins égale à 75% de la
pression de réglage de la soupape.
Cet accessoire est une obligation de la réglementation nord américaine
pour les équipements sous pression de vapeur ou d'air comprimé. La
réglementation européenne elle, n'en fait pas une obligation, même si
elle l'autorise.
Certains considèrent que cette manoeuvre de test, alors que la soupape
est souvent située en hauteur, et que l'ouverture de la soupape génère
souvent un vacarme impressionnant, est en elle-même une opération
dangereuse pour l'opérateur.
Vanne de jumelage
Si on souhaite pouvoir entretenir une soupape sans arrêter le procédé
protégé, il faudra installer deux soupapes isolables afin de pouvoir en
démonter une alors que le procédé est en service. Pour éviter toute
fausse manoeuvre qui pourrait conduire à isoler les deux soupapes en
même temps, une vanne de jumelage assure qu'au moins une des soupapes
est en service.
Limitations des soupapes à ressort
Si la pression maximale d'exploitation du procédé est trop proche de la
pression de réglage de la soupape, celle-ci sera peu étanche et en cas
d'ouverture, la refermeture ne sera pas garantie. Il n'est pas
recommandé d'exploiter le procédé à une pression supérieure à 90% de la
pression de réglage.
Soupapes pilotées
Une soupape pilotée est constituée de deux éléments:
- la soupape principale, qui doit assurer la décharge de la
surpression
- le pilote, qui est une soupape à ressort, commandant
l'ouverture de la soupape principale
Dans une soupape pilotée, le clapet est maintenu fermé par la pression
du fluide du procédé. Le fluide est prélevé à l'entrée de la soupape
principale et est conduit via le pilote, vers le dôme du clapet de la
soupape principale. Celui-ci présentant une surface supérieure à la
surface offerte au coté procédé, la force exercée pour la fermeture est
supérieure. A l'approche de la pression de réglage, le pilote se ferme,
le gaz présent dans le dôme du clapet principal est purgé et la force
assurant la fermeture disparaît; le clapet principal peut s'ouvrir.
Les soupapes pilotées permettent une ouverture mieux contrôlée
du clapet: au choix, une ouverture plus rapide, ou plus progressive.
Elles autorisent une pression d'exploitation du procédé plus proche de
la pression de réglage.
Elles sont traitées dans la norme ISO 4126-4
Soupapes contrôlées
Elles utilisent une source d'énergie externe pour opérer plus
efficacement. Cependant en cas de défaillance de l'assistance externe,
elles doivent fonctionner comme une soupape conventionnelle.
Elles sont traitées dans la norme ISO 4126-5
Glossaire
- Accumulation (Accumulation)
- Surpression autorisée au dessus de la pression de réglage,
nécessaire pour obtenir la capacité nominale de la soupape
- Aire (Area)
- Section de passage de l'orifice
- Buse (Nozzle)
- Orifice calibré de la soupape
- Chute de pression à la refermeture (Blowdown)
- Différence de pression nécessaire pour permettre la
refermeture de la soupape après sollicitation
- Clapet (Disc)
- Obturateur maintenu en place sur l'orifice par le ressort
- Contre-pression (Backpressure)
- Pression existant dans le circuit de décharge; elle peut
être permanente ou engendrée par le débit de décharge
- Etancheïté (Tightness)
-
- Levier (Lever)
- Pour manoeuvrer le clapet alors que la soupape est en
service sur l'équipement à protéger
- Pression de début d'ouverture (Set pressure)
- Pression à laquelle la soupape commence à se soulever
- Ressort (Spring)
- Pour maintenir le clapet fermé
- Soufflet d'équilibrage (Balanced
bellow)
- Soufflet métallique destiné à isoler le clapet de la
contre-pression existant dans le circuit de décharge
- Soupape à ressort (Spring
Loaded Safety Relief Valve)
- Soupape dont la fermeture est assurée par un ressort
- Soupape pilotée (Pilot
Operated Safety Relief Valve)
-
- Vanne de jumelage (Change-Over
Valve)
- permet d'isoler une soupape en assurant qu'une autre est en
service