Application des concepts de fermeture de vanne à des systèmes de tuyauterie de processus complexes

Un phénomène appelé coup de bélier peut conduire à des scénarios dangereux tels que l'effondrement de tuyaux et le détachement de tuyaux de leurs supports. Les coups de bélier se produisent lorsque des augmentations de pression importantes ou petites traversent rapidement un système de tuyauterie. Non seulement cela semble terrible, mais cela peut être incroyablement destructeur. Les coups de bélier sont le processus que subit un système de tuyauterie lorsqu'il passe d'un fonctionnement en régime permanent à un autre. Il est présent dans tous les systèmes de tuyauterie et ne se limite pas aux seuls systèmes d’eau. Un coup de bélier peut être provoqué par des changements opérationnels planifiés, ainsi que par des perturbations soudaines et imprévues.

Parfois, les utilisateurs prétendent qu’ils n’ont pas de coup de bélier dans leur système, ce qui est faux. Même lors du démarrage d’une pompe, des coups de bélier sont introduits dans le système. Il convient de déterminer la cause du coup de bélier et sa gravité.

Les codes de tuyauterie B31.3 et B31.4 de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) sont des normes largement applicables aux systèmes de tuyauterie.1 Dans l'ASME B31.3 pour la tuyauterie de procédé, la section 301.2.2 traite du confinement ou de la décharge de pression requis. L'article 301.2.2 stipule ce qui suit :

a) Des dispositions doivent être prises pour contenir ou relâcher en toute sécurité toute pression à laquelle la tuyauterie peut être soumise. Les canalisations non protégées par un dispositif de décompression, ou qui peuvent être isolées d'un dispositif de décompression, doivent être conçues pour au moins la pression la plus élevée pouvant être développée.

b) Les sources de pression à prendre en compte comprennent les influences ambiantes, les oscillations et les coups de bélier de pression, un mauvais fonctionnement, la décomposition de fluides instables, la hauteur statique et la défaillance des dispositifs de commande.

c) Les indemnités du par. 302.2.4(f) sont autorisés, à condition que les autres exigences du paragraphe. 302.2.4 sont également respectés.

Cela nécessite que la conception des systèmes prenne en compte les pressions élevées. D'autres sections expliquent ce que sont les variations occasionnelles de pression et ce qui peut être autorisé. ASME B31.4 pour « Systèmes de transport par pipeline pour hydrocarbures liquides et autres liquides » traite également des pressions de conception internes et mentionne « une augmentation de pression au-dessus de la pression de fonctionnement maximale à l'état stable en raison de surtensions et d'autres variations par rapport aux opérations normales est autorisée conformément au paragraphe ». 402.2.4.» Dans l'article 402.2.4, il est indiqué : « Des calculs de surtension doivent être effectués et des contrôles et équipements de protection adéquats doivent être fournis afin que le niveau d'augmentation de pression dû aux surtensions et autres variations par rapport aux opérations normales ne dépasse en aucun cas la pression de conception interne. point dans le système de tuyauterie et l’équipement de plus de 10 %.

Dans l’ensemble, les coups de bélier et les coups de bélier doivent être quantifiés et traités pour protéger le système. Les coups de bélier peuvent être introduits de plusieurs manières. L’exemple classique est celui d’une fermeture rapide d’une vanne et est souvent utilisé pour aider à décrire les notions de coup de bélier. La littérature sur les coups de bélier couvre assez souvent les événements de fermeture rapide des vannes comme étant les causes les plus désastreuses potentielles des coups de bélier. Cependant, les coups de bélier peuvent également être causés par des événements de déclenchement de pompe, des événements de démarrage de pompe, une surpression provoquant l'ouverture et la fermeture des soupapes de décharge, une défaillance des vannes de régulation, le claquement des clapets anti-retour, etc.

L'exemple classique de fermeture rapide de vanne, souvent utilisé pour décrire les coups de bélier, abordera généralement l'équation de Joukowsky, qui est utilisée pour calculer la surpression théorique maximale pour un événement instantané. L'équation de Joukowsky dépend de la densité du fluide, de la vitesse d'onde du fluide et du changement de vitesse.2 L'équation de Joukowsky peut être appliquée à tout ce qui provoque un changement instantané de vitesse. L’utilisation de l’équation de Joukowsky pour déterminer la surpression théorique maximale constitue un point de départ utile. Cependant, il y a des moments où il est possible de subir des coups de bélier plus importants que ce que prédit l’équation.

Cela peut se produire par exemple en cas de cavitation transitoire présente dans un système ou une garniture de ligne. Cela étant dit, l’exemple de la fermeture rapide d’une vanne est un excellent moyen de comprendre les coups de bélier. Diverses méthodes sont disponibles pour quantifier la réponse de la pression lors d'un coup de bélier, et ces calculs peuvent être compliqués et pénibles. Une méthode est la méthode des caractéristiques qui résout les équations d'équilibre de masse et de quantité de mouvement transitoires dans une approche de grille caractéristique.4 Il n'est pas trop difficile d'appliquer ces calculs à un exemple de fermeture de vanne pour déterminer comment la pression de surpression au niveau de la vanne change avec le temps. Le défi est que la littérature donne souvent un exemple de fermeture rapide de vanne dans le contexte d'un seul chemin d'écoulement de tuyau droit avec de l'eau et fournit rarement des conseils ou démontre des calculs pour un système plus complexe avec plusieurs chemins d'écoulement, pompes, dispositifs de suppression de surtension, etc.