Les soupapes de sécurité

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