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Avertissement au visiteur! × Les informations contenues dans ces pages se veulent aussi exactes que possible et vous sont proposées en toute bonne foi. Cependant leur caractère très général fait qu'elles peuvent être inappropriée dans une situation particulière. Aussi toute application, choix ou décision qui en découlerait doit impérativement être validé par un expert compétent.

Capacité d'évacuation des soupapes

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 taille de la soupape est fonction du débit à évacuer, et des caractéristiques du fluide; elle est principalement caractérisée par la taille de son orifice.
Les soupapes ayant une fonction de sécurité, leur dimensionnement n'est pas laissé à la seule appréciation des constructeurs. Les soupapes ne peuvent être testées pour chaque application; la détermination de la taille nécessaire est faite par calcul. Les méthodes de calcul acceptables sont décrites dans des normes. Les principales sont:

  • API STD 520
  • ASME Section VIII
  • ISO EN 4126
L'ISO 4126 est la norme de référence dans l'UE

Orifices normalisés

Vue schématique en coupe d'une soupape conventionnelleLa taille des orifices (buses) des soupapes est définie par des normes internationales.
Chaque taille d'orifice est désigné par une lettre de D à W.
Pour chaque taille d'orifice, les diamètres des raccordements d'entrée et de sortie sont définis. Pour chaque taille d'orifice, deux ou trois combinaisons de raccordement sont souvent possibles.
Le tableau suivant donne ces caractéristiques:


Orif Sect.
[cm²]
raccordements
(ent×sort)
diamètre en pouces
D 0,71 1×2 1,5×2 1,5×2,5
E 1,26 1×2 1,5×2 1,5×2,5
F 1,98 1×2 1,5×2 1,5×2,5
G 3,24 1,5×2,5 1,5×3 2×3
H 5,06 1,5×3 2×3
J 8,3 2×3 2,5×4 3×4
K 11,86 3×4 _ _
L 18,41 3×4 4×6 _
M 23,20 4×6 _ _
N 28,00 4×6 _ _
P 41,20 4×6 _ _
Q 71,20 6×8 _ _
R 103,0 6×8 8×10 _
T 168,0 8×10 _ _
V 264,0 _ _ _
W 393,0 _ _ _

Capacité d'évacuation

La capacité d'évacuation est le débit que la soupape peut laisser passer. Des méthodes de calcul de ce débit sont proposées par les normes pour:

  • les gaz
  • les liquides
  • la vapeur d'eau
Il n'existe actuellement pas de consensus pour le calcul de mélanges gaz-liquide. Les normes sont généralement muettes sur ce sujet.

Calcul pour les gaz

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Le calcul repose sur une adaptation de la relation de Barré de Saint Venant pour l'écoulement des gaz dans les orifices.
On distingue la situation d'un écoulement en régime critique ou non critique.


Calcul pour les liquides

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Le calcul du débit de liquide doit tenir compte de la viscosité.


Calcul pour la vapeur

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Pour la vapeur d'eau, le calcul diffère selon la norme
  • l'ISO EN 4126 considère la vapeur surchauffée comme un gaz, mais apporte une correction si la vapeur est humide; cette correction ne s'applique que si le taux d'humidité ne dépasse pas 10% (x=0,9)
  • l'ASME et l'API apportent une correction si la vapeur est surchauffée, mais pas si elle est humide

Calcul rapide

La capacité d'évacuation des soupapes peut aussi être exprimée dans des conditions standard:
  • en air pour les gaz
  • en eau pour les liquides
  • en vapeur d'eau
.Des facteurs de correction doivent être appliqués lorsque les conditions réelles s'écartent des conditions standard.

La capacité d'évacuation de la soupape est donnée par les relations suivantes:

pour les GAZ:

Conditions standards: air à 20°C, sous une pression de 1 bars absolu, en régime d'écoulement critique

débit(kg/h)=K × Pres × CM × CT × Cg × Cz × Kb

pour les LIQUIDES:

Conditions standards: eau à 20°C, sous une pression différentielle de 1 bar

débit(t/h)=K × √(Pam - Pav) × Cd × Csp

pour la VAPEUR:

débit(kg/h)=K × Pam ×  Ksh ×  Kb

avec K: coefficient de débit = débit dans les conditions standard
Pres: pression amont (bar absolu)
CM: correction de masse molaire
CT: correction de température
Cg: correction de coef. de détente
Cz: correction du coef de compressibilité du gaz (Z)
Cd: correction de densité liquide
Kv: correction pour la viscosité du liquide
Csp: correction de surpression
Kb: correction de contre-pression
Ksh: correction de surchauffe
∆P:différence de pression amont-aval



Coefficients de débit (K)
Orif. Gaz
[kg/h]
Liquide
[t/h]
Vapeur
[kg/h]
D 55 1,4 33
E 97 2,5 59
F 152 4,0 93
G 249 6,5 152
H 390 10,1 238
J 639 16,6 390
K 913 23,7 560
L 1420 36,8 865
M 1790 46,0 1090
N 2160 56,0 1315
P 3170 82,0 1940
Q 5480 142,0 3350
R 7930 206,0 4840
T 12900 336,0 8000
V 20300 528,0 12000
W 30300 786,0 18000
Le coefficient de débit dépend du coefficient de détente propre à chaque type de soupape. Celui-ci est déterminé par le constructeur. Les valeurs du tableau ci-dessus sont des valeurs typiques; elles peuvent varier légèrement pour un constructeur ou un autre.

Correction pour contre-pression Kb

Tant que la pression aval est inférieure à 55% de la pression amont, l'écoulement est dit critique, et le débit est indépendant de la pression aval.
Pour des pressions aval supérieures, le débit est minoré par le facteur ci-dessous:


Paval ⁄ Pamont
(P absolue)
Kb
<=0,55 1,0
0,65 0,97
0,70 0,95
0,75 0,90
0,80 0,85
0,85 0,76
0,90 0,64
0,92 0,58
0,94 0,50
0,96 0,41
0,97 0,36
0,98 0.30

Correction pour surchauffe de la vapeur Csh


Press
[bars
eff]
Température
[°C]
_ 200 250 300 350 400 500 600
2 0,99 0,94 0,89 0,86 0,82 0,76 0,72
20 _ 0,97 0,91 0,87 0,83 0,77 0,72
60 _ _ 0,96 0,90 0,85 0,78 0,73
110 _ _ _ 0,97 0,89 0,84 0,74
160 _ _ _ 0,99 0,95 0,82 0,75
200 _ _ _ _ 1,0 0,84 0,76
Ce facteur de correction est autorisé par les normes API 520 et ASME. Il n'est pas autorisé par la norme ISO EN 4126.

Correction de masse molaire du gaz CM

Pour les gaz autres que l'air:
Masse
molaire (g)
CM Masse
molaire (g)
CM
2 0,26 40 1,17
5 0,42 50 1,31
10 0,59 70 1,55
20 0,83 100 1,86
29 1,00 150 2,27

Correction de température du gaz CT


T°C 50 100 150 200 250 300 400
CT 0,95 0,89 0,83 0,79 0,75 0,71 0,66

Correction de coefficient de détente du gaz Cg

Pour les gaz autres que l'air:
Cp/Cv 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50
Cg 0,89 0,92 0,95 0,97 1,00 1,02

Correction de compressibilité du gaz Cz

Fonction du coefficient de compressibilité Z, c'est-à-dire des pressions et températures réduites (Pr=P/Pc et Tr=T/Tc)
Cz vaut 1 si Z vaut 1


Pr Tr
_ 0,6 0,8 1,0 1,2 1,5 1,8
0,01 1,03 _ _ _ _ _
0,1 _ 1,04 1,02 1,01 _ _
0,2 _ 1,09 1,04 1,02 1,01 1,00
0,4 _ _ 1,09 1,04 1,02 1,01
0,6 _ _ 1,15 1,07 1,03 1,02
0,8 _ _ 1,27 1,15 1,04 1,02
1,0 _ _ 1,58 1,12 1,05 1,02
1,4 _ _ _ 1,20 1,07 1,03
1,8 _ _ _ 1,27 1,08 1,03

Correction de densité du liquide Cd

Pour les liquides autres que l'eau:
densité: 0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50
Cd: 0,71 0,84 0,95 1,05 1,14 1,22

Correction de surpression (accumulation) Csp

Pour les liquides, la capacité de la soupape dépend de la surpression (accumulation) qu'on admet au dessus de la pression de début d'ouverture.

surpression: 10% 20% 25%
Csp: 1,0 1,5 1,7

Outils de calcul

Une feuille de calcul sur tableur est proposée dans le classeur ProcesssCalc
La plupart des constructeurs de soupape proposent un manuel technique décrivant les méthodes de détermination de la capacité des soupapes.

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