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Appareillages de contrôle des fluides dans les tuyauteries par Jean SUTTER Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Arts et Métiers Ingénieur IAG (École Nationale Supérieure d’Électrotechnique, d’Hydraulique, de Radioélectricité et de Mathématiques appliquées de Grenoble) Directeur Technique Technique Robinetterie Industrielle à la société Pont-à-Mousson SA

1. 1.1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.4 1.4

Robi Robine nett tter erie ie de prot protec ecti tion on ....................................... ........................................................... ............................. ......... Soup Soupap apes es de sûre sûreté té..... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... Disq Disque uess de rupt ruptur uree ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ........ ... Purgeu Purgeurs rs de vapeur vapeur d’eau d’eau .......... .............. ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... Disp Dispos osit itif ifss div diver erss ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......

A 767 - 2 — 2 — 10 — 14 — 18

............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ........ ... 2. Robi Robine nett tter erie ie de de con contr trôl ôle e .......... 2.1 Contrô Contrôle le de circul circulati ation on .......... ............... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 2.2 Mesure Mesure de débit débit par par débitmè débitmètre tre à flotteur flotteur ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...

— — —

19 19 20

3. 3.1 3.1 3.2 3.3 3.3 3.4 3.5 3.6

Robi Robine nett tter erie ie de régl réglag age e .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... Proc Procéd édés és à régl régler er ......... .............. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... Régula Régulateu teurs rs propor proportio tionne nnels ls .......... ............... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... Régu Régula late teur urss auto autono nome mess ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... ..... Régula Régulateu teurs rs de tempér températu ature re .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ...... .. Régula Régulateu teurs rs de pressi pression on .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... Régulateur Régulateurss de pression pression différent différentielle ielle ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....

— — — — — — —

21 21 21 22 22 24 26

4. 4.1 4.2 4.3

Robi Robine nett tter erie ie dive divers rse e .......... ............... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... Sépa Sépara rate teu urs..... rs .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... Filtres .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... Accumu Accumulat lateur eurss hydr hydraul auliqu iques. es...... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .....

— — — —

26 26 26 27

Pour en savoir plus ....................................... .......................................................... ....................................... ................................. .............

Doc. A 767

ans cet article, nous traiterons de différents types d’appareillages de contrôle des fluides dans les tuyauteries : robinetterie de protection, de contrôle, de réglage et robinetterie diverse.

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APPAREILLAGES DE CONTRÔLE DES FLUIDES DANS LES TUYAUTERIES ___________________________________________________________________________

1. Rob Robine inetter tterie ie de prote protectio ction n Cette robinetterie a pour but de protéger les installations sous pression de fluide, dans les cas suivants : — défaillance d’un appareil appareil (générateur (générateur de vapeur par exemple) exemple) ; — difficultés pour maintenir maintenir la pression dans les les limites tolérées tolérées ; — condensation dans dans les circuits de vapeur.

1.1 Soupapes Soupapes de sûreté sûreté 1.1.1 1.1.1 Définition Définition Suivant la norme NF E 29-410, une soupape de sûreté est un appareil de robinetterie qui, placé sur une enceinte contenant un fluide sous pression (figure 1) : — s’ouvre automatiquement automatiquement sous l’action de la la seule pression pression du fluide ; — évacue un débit de fluide fluide de façon à limiter la pression dans l’enceinte ; — se referme en en arrêtant l’écoulement l’écoulement du fluide fluide lorsque les conditions de service ont été rétablies. Cette norme prévoit en outre, si la réglementation en vigueur le permet, la possibilité d’obtenir l’ouverture de la soupape au moyen d’une source d’énergie autre que celle du fluide.

1.1.2 Définition des des pressions mises en œuvre œuvre On distingue huit types de pression (figure 2). Pression de service (operating ( operating pressure ) pressure ) : pression de fonctionnement de l’installation. 

Pression de réglage (cold ( cold differential test pressure ) pressure ) : pression statique à laquelle la soupape est réglée pour s’ouvrir au banc d’essai et qui tient compte des corrections nécessitées par les conditions réelles de service (contrepression, température). 

pressure ) : pression préPression de début d’ouverture ( set pressure ) déterminée par l’utilisateur, à laquelle le clapet de la soupape commence à se lever dans les conditions de service. Généralement, cette pression de début d’ouverture est prise égale à la pression maximale de service de l’installation ou timbre (article Chaudières : principes de conception et de calcul. Généralités. Bilans [B 1 460] dans le traité Génie énergétique). 



( relieving pressure ) pressure ) : somme de Pression d’ouverture maximale (relieving

la pression de débit d’ouverture et de la surpression. 

overpressure ) : augmentation de pression par Surpression ( overpressure )

rapport à la pression de début d’ouverture, exprimée généralement généralement en pourcentage de la pression de début d’ouverture. La valeur de cette surpression est fixée par les réglementations nationales (codes). Pour les pays occidentaux, les valeurs courantes de la surpression sont : • 3 % pour pour les chaudi chaudièr ères es (ASME (ASME sect section ion I) ; • 10 % pour les appare appareils ils à gaz ou à vapeur vapeur (ASME section section VIII) VIII) ; • 20 % dans le cas de soupapes protégeant des appareils appareils contre une augmentation de pression due à un incendie ; • 25 % pour les les soupapes soupapes de décharg déchargee de liquide. liquide. Pour les pays de l’Est, et pour l’URSS en particulier, la valeur de la surpression est liée à la pression de service de l’appareil, à savoir : — pression de service inférieure inférieure à 3 bar, surpression de 0,5 bar ; — pression de service service comprise entre 3 bar et 60 bar, surpression surpression de 15 % ; — pression de service supérieure supérieure à 60 bar, surpression de 10 10 %.

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Figure 1 – Soupape Soupape de sûreté sûreté à action action directe directe par par ressort ressort (document Sapag)

 Pression de fermeture (reseating ( reseating pressure ) pressure ) : pression à laquelle la soupape est complètement refermée.

(blow down ) down ) : différence entre Chute de pression à la fermeture (blow la pression de début d’ouverture et la pression de fermeture ; elle est généralement exprimée en pourcentage de la pression de début d’ouverture. La valeur de cette surpression est normalement fixée par les codes nationaux. 

Par exemple : — ASME section section I : chute de pression pression de 4 % ; section VIII VIII : chute de pression de 5 % ; — AD Merkbl Merkblätt ätter– er–A A 2 : chute de pression de 10 % pour les fluides compressibles et de 20 % pour les liquides ; — la norme internationale internationale ISO 4126, de 1981, fixe par ailleurs ailleurs la chute de pression entre 2,5 % et 7 % sauf pour : • les soupapes présentant un orifice d’écoulement inférieur à 15 mm, pour lesquelles la chute de pression sera de 15 %, • les soupapes fonctionnant à une pression de début d’ouverture inférieure à 3 bar pour lesquelles la chute de pression sera inférieure à 0,3 bar.

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Contrepression (back pressure ) pressure ) : toute pression à l’aval de la soupape ; on distingue : — la contrepression initiale : : c’est la pression effective existant à l’aval de la soupape de sûreté au moment où celle-ci doit entrer en fonctionnement. Cette contrepression est donnée par l’installation elle-même, elle peut être constante ou variable ; — la contrepression engendrée : augmentation de la pression aval provoquée par l’écoulement du fluide quand la soupape est ouverte. 

1.1.3 Description des soupapes soupapes de sûreté Il existe différents types de soupapes de sûreté suivant le principe de construction, la caractéristique d’ouverture ou la levée.

1.1.3.1 1.1.3.1 Principe Principe de construc construction tion On distingue trois principaux types de construction pour les soupapes de sûreté : — à action action directe directe ; — à charge additi additionnel onnelle le ; — pilo piloté tée. e. 1.1.3.1.1 Soupape de sûreté à action directe

Pour ce type de soupape, l’effort exercé directement par un dispositif mécanique tel que levier avec contrepoids (figure 3) ou ressort (figure 1) s’oppose seul à la force exercée sous le c lapet par la pression du fluide.

APPAREILLAGES DE CONTRÔLE DES FLUIDES DANS LES TUYAUTERIES

La force d’application du clapet sur le siège (ou force d’étanchéité ; figure 4) : — diminue de façon continue continue lorsque la pression du fluide à l’entrée est augmentée (pression agissant sous le clapet) ; — devient nulle à la pression pression de début d’ouverture d’ouverture ; lorsque la pression du fluide dépasse la pression de début d’ouverture, il y a création d’une force d’ouverture du clapet. Soupape de sûreté à levier et contrepoids : soupape très utilisée autrefois, actuellement elle tend à disparaître, car elle n’est pas adaptée aux fortes pressions et aux grandes sections d’écoulement ; par ailleurs, cette soupape permet difficilement une fermeture étanche aux gaz. 



Soupape de sûreté à ressort : c’est actuellement la plus répandue.

Éléments de construction : : — le plus souvent l’étanchéité en en fermeture est obtenue par contact métal-métal d’un clapet plan sur le siège : moyennant le glaçage des des portées d’étanchéité et par optimisation de la largeur du siège, il est possible d’obtenir des étanchéités de 10 –3 à 10–4 torr · l/s ; — pour certaines applications à basse basse température, température, l’étanchéité peut être améliorée par adjonction d’un joint d’élastomère au contact métal-métal ; — le maintien des performances performances en ouverture et en en fermeture d’une soupape nécessite une construction mécanique soignée : • par le guidage guidage du clapet clapet,, • le centrage du clapet par par rapport au siège, • le choix du ressort et le maintien de ses caractéristiques caractéristiques dans le temps. 

Figure 3 – Soupape Soupape de sûreté sûreté à levier levier avec avec contrepoids contrepoids

Figure Figure 2 – Pressi Pressions ons mise misess en œuvre œuvre Figure 4 – Soupape Soupape de sûreté à action action directe : relation entre la pression du fluide et les forces exercées sur le clapet


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Variantes courantes d’exécution : — avec arcade (chapeau) ouverte : version économique dont l’utilisation est possible lorsque la corrosion due au milieu ambiant n’est pas à craindre (figure 5a ) ; — avec chapeau fermé (figure 5b ) ; — avec soufflet (figure 5c ), on utilise un soufflet dans les cas suivants : • pour éliminer l’effet des contrepressions variables à l’aval (influence sur le débit de la soupape) ; on admet généralement que pour une contrepression variable, supérieure à 10 % de la pression d’ouverture, un système de compensation est nécessaire ; les deux systèmes de compensation utilisés couramment sont les dispositifs à soufflets métalliques et les dispositifs à piston, pour les applications à contrepression élevée, • pour protéger le ressort et l’ensemble mobile de la partie supérieure de la soupape, contre l’effet des fluides corrosifs. 

1.1.3.1.2 Soupape de sûreté à charge additionnelle

Pour ce type de soupape, un effort supplémentaire s’exerce sur le clapet pour accroître l’étanchéité jusqu’au moment où la pression à l’entrée de la soupape atteint la pression de début d’ouverture. Lorsque la pression du fluide devient égale à la pression de début d’ouverture, par valeurs croissantes, la charge additionnelle doit s’annuler brutalement (figure 6). La valeur maximale de la charge additionnelle est déterminée par les réglementations nationales. En effet, celles-ci imposent que, dans le cas d’un non-fonctionnement du système d’annulation de la charge, la soupape de sûreté atteigne son plein débit pour une pression à l’entrée au plus égale à un certain pourcentage de la pression de début d’ouverture. La charge additionnelle peut être générée à l’aide de charges pneumatique, hydraulique ou magnétique. Pour obtenir la fiabilité de fonctionnement du dispositif d’annulation de la charge, deux lignes de mesure de la pression séparées sont couramment utilisées. Charge additionnelle pneumatique (figure 7) : pour la mesure de la pression, on utilise généralement des tubes de Bourdon (article Mesure de Vide [R 2 050] dans le traité Mesures et Contrôle), qui entraînent une palette ; la position de cette palette peut être détectée à l’aide d’une buse ou d’une fin de course pneumatique.

Figure 5 – Soupapes de sûreté à action directe





Charge additionnelle hydraulique : ce système n’est utilisé que

Figure 6 – Soupape de sûreté à charge additionnelle : relation entre la pression du fluide et les forces exercées sur le clapet

dans le cas de soupapes travaillant à haute pression et présentant de grandes sections d’écoulement ; la présence d’huile peut présenter des risques d’inflammation.

Charge additionnelle magnétique : la charge est obtenue dans ce cas par l’alimentation électrique d’aimants ; ce principe n’est actuellement utilisé que pour des soupapes de petite taille. 

1.1.3.1.3 Soupape de sûreté pilotée

Le fonctionnement de la soupape est commandé par le fluide provenant d’un dispositif pilote, qui est lui-même une soupape de sûreté à action directe. Pour ce type de soupape (figure 8) : — l’effort de fermeture du clapet reste sensiblement constant tant que la pression du fluide est inférieure à la pression de début d’ouverture de la soupape ; — lorsque la pression du fluide atteint la pression de début d’ouverture, le pilote commande le changement rapide du sens du l’effort sur le clapet. Différentes conceptions de soupapes de sûreté pilotées sont possibles en fonction : — du mode d’action du pilote sur le fluide de commande de la soupape (par contrôle de l’admission ou par contrôle de l’échappement) ; — du sens de fermeture du clapet (fermeture contre la pression du fluide ou fermeture avec l’aide de cette pression).

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Figure 7 – Soupape de sûreté à charge additionnelle pneumatique


__________________________________________________________________________


Figure 8 – Soupape de sûreté pilotée : relation entre la pression du fluide et les forces exercées sur le clapet 

Soupape avec pilote sur l’échappement (figure

9)

Figure 9 – Soupapes de sûreté pilotées sur l’échappement du fluide de commande

Exemple de fonctionnement de la soupape version I, la fermeture du clapet contre le fluide s’effectue grâce à l’action : — de la pression du fluide qui agit sur la face supérieure du piston de commande du clapet ; — du ressort supérieur ; le pilote obturant l’échappement, l’effort de fermeture sur le clapet croît dans ce cas avec la pression du fluide ; le pilote libérant l’échappement à la partie supérieure du cylindre de commande permet l’ouverture de la soupape (l’effort dû au ressort supérieur étant faible).

Des dispositifs d’étanchéité soignés sont nécessaires pour : — la soupape version IV au niveau de la tige de commande du clapet ; — les soupapes versions I et II entre le piston de commande du clapet et le cylindre. Ces dispositifs d’étanchéité diminuent en principe la tenue en température des appareils. 

Soupape avec pilote sur l’admission (figure

Figure 10 – Soupapes de sûreté pilotées sur l’admission du fluide de commande

10)

Exemple de fonctionnement de la soupape version V : — le clapet est maintenu fermé par action sur le ressort supérieur ; — lorsque la pression du fluide croît, l’effort de fermeture diminue ; — le pilote, par admission du fluide de commande à la partie inférieure du cylindre, fait remonter le piston et ouvre le clapet de la soupape.

— les soupapes versions VI et VII nécessitent un système d’étanchéité soigné au niveau de la tige de commande du clapet.

1.1.3.2 Caractéristique d’ouverture En prenant pour critère la caractéristique d’ouverture, on distingue généralement deux types de soupapes de sûreté : — les soupapes proportionnelles ; — les soupapes à ouverture rapide. 1.1.3.2.1 Soupapes proportionnelles 

Caractéristiques

Ces soupapes présentent la particularité d’une levée du clapet quasi proportionnelle à la surpression (figure 11) ; pour obtenir cette relation proportionnelle entre la levée du clapet et la surpression, on recherche, par le dessin du clapet et du volume intérieur du corps de la soupape, à minimiser les effets de l’énergie cinétique du fluide sur le clapet dès que celui-ci est ouvert ; cette soupape se caractérise donc : — pour une levée donnée, par un coefficient de débit élevé ; — par une levée du clapet généralement faible, à cause de l’effort réduit du fluide sur le clapet ; il est d’ailleurs possible de modifier la levée, en jouant sur la raideur du ressort, dans le cas des soupapes à ressort (article Ressorts. Considérations générales [B 5 430] dans le traité Génie mécanique).

Figure 11 – Soupape proportionnelle : relation entre la levée du clapet et la surpression 

Utilisation des soupapes proportionnelles

Elles sont surtout utilisées pour la protection de circuits : — mettant en œuvre des fluides incompressibles, sans risque de vaporisation ; — pour lesquels les pressions de fonctionnement (surpression et chute de pression à la fermeture) ne présentent pas une grande importance. 1.1.3.2.2 Soupapes à ouverture rapide

Pour ces soupapes, dès que le clapet est ouvert, une très faible surpression (généralement inférieure à 5 %) provoque une levée brutale du clapet jusqu’à sa levée maximale (figure 12).


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Figure 12 – Soupape à ouverture rapide : relation entre la levée du clapet et la surpression Représentation graphique du fonctionnement pour une soupape à ressort : la figure 13 montre trois zones de fonctionnement, déter

minées par les points A, B, C, D : — zone AB : la croissance de la courbe d’évolution de la force tendant à ouvrir le clapet (à pression constante) est plus faible que la croissance de la caractéristique AD du ressort ; le clapet ne peut s’ouvrir que grâce à l’augmentation de la pression du fluide ; cette zone correspond à un fonctionnement quasi proportionnel de la soupape ; — point B : à partir de ce point, la courbe I croît très vite par rapport à la caractéristique AD , le point B est le point d’ouverture rapide de la soupape ; — zone BC : pleine ouverture de la soupape, la pression du fluide étant égale à la pression d’ouverture ; — zone CD : la décroissance de la pression conduit à une fermeture quasi proportionnelle de la soupape ; — point C : à partir de ce point, la courbe III décroît beaucoup plus vite que la caractéristique AD ; la fermeture rapide est amorcée. Analyse sommaire de la levée rapide sur une soupape particulière (modèle Sapag) (figure14) : 

— tant que la pression agissant sur la face inférieure du clapet crée un effort inférieur à celui du ressort, la soupape est fermée (figure 14a ) ; — lorsque la pression augmente dans l’installation, il arrive un moment où les forces en présence s’équilibrent de telle sorte que la pression spécifique du clapet sur son siège devient nulle, c’est le début d’ouverture ; — le clapet ayant commencé à se soulever, le fluide pénètre dans une chambre B dont il ne peut s’échapper qu’à travers un espace annulaire appelé secondaire (figure14b ) ; la pression agissant sur une surface accrue crée une force susceptible de vaincre l’action du ressort ; par action sur le déflecteur, il est possible de modifier la section de l’orifice annulaire secondaire, ce réglage permet par conséquent de régler la force additionnelle qui écarte le clapet de son siège ; — la soupape étant ouverte, le flux tend à s’échapper par un nouvel orifice annulaire C délimité par les arêtes du déflecteur et du porte-clapet (figure 14c ) ; la section C donne naissance à une pression dynamique additionnelle qui favorise la levée brusque du clapet. Procédés pour obtenir la levée rapide d’une soupape à ressort : comme le montre l’exemple du paragraphe 1.1.3.2.2, la levée rapide est obtenue par déviation du jet fluide, afin d’utiliser une partie importante de l’énergie cinétique de ce fluide pour créer une force d’ouverture additionnelle du clapet ; sur le plan technologique trois types de construction permettent d’obtenir cette levée rapide : — clapet muni d’une forme permettant de dévier le fluide ; — clapet avec porte-clapet en cloche (figure 15) ; 

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Figure 13 – Variation de l’effort sur le clapet en fonction de la levée et de la pression du fluide

— clapet avec piston, la section annulaire déterminée par le siège et le cylindre de guidage du clapet restant dans ce cas constante quelle que soit la levée du clapet. Utilisation des soupapes de sûreté à levée rapide : la soupape à ressort à levée rapide est la plus couramment utilisée, elle est particulièrement adaptée : — pour utilisation avec des gaz et des vapeurs, ainsi que sur des liquides lorsque la vaporisation est possible ; — pour des capacités (débits) moyennes et basses ; — lorsque les spécifications sur les pressions de fonctionnement sont sévères (surpression, pression de fermeture). 

1.1.3.3 Levée du clapet On distingue quatre catégories suivant la levée L du clapet par rapport au diamètre d du siège (figure 1) : — soupape à faible levée : d d -------- < L < -------24 16 — soupape à levée normale : d d -------- < L < -------16 12 — soupape à levée haute : d d -------- < L < ----12 4 — soupape à pleine levée : d d ----- < L < ----4 3


__________________________________________________________________________


Figure 15 – Clapet avec porte-clapet en cloche

Figure 14 – Exemple de levée rapide de soupapes (modèles Sapag)

1.1.4 Calcul de la section de l’orifice Méthode de calcul pour soupape de sûreté à ressort et à ouverture rapide, suivant ASME-API (soupapes SAPAG).

1.1.4.1 Vapeurs et gaz 1.1.4.1.1 Soupapes conventionnelles

avec

A (cm2)

A

=

A

=

W ZT 1,313 -------------------- --------------C 1 P 1 B M 1 Q d ZT ------------- ------------------------------3,18 C 1 P 1 B

section de l’orifice, B facteur de correction de contrepression (figure 16), C 1 coefficient, d densité par rapport à l’air, M (g/mol) masse molaire (tableau 1), P 1 (bar) pression d’ouverture maximale (pression de début d’ouverture + surpression), Q (Nm3 /h) débit (ramené à 0 oC et 1,013 bar), T (K) température absolue, W (kg/h) débit masse, Z facteur de compressibilité du gaz considéré à la pression P 1 et à la température T ; en première approximation on peut considérer le gaz comme parfait, dans ce cas Z = 1 ; pour un calcul précis, consulter par exemple le document API 520 Part I.

Figure 16 – Détermination du facteur de correction B dans le cas de soupapes conventionnelles

Cas particulier de la vapeur d’eau saturée : A

=

W 51P 1 B

-------------------

1.1.4.1.2 Soupapes à soufflet

A soit

=

A

W ZT 1,313 --------------------- × --------------C 1 P 1 V f M =

1 Q d ZT 3,18 C 1 P 1 V f

------------- ------------------------------

avec V f facteur de correction pour contrepression (figure 17).


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Cas particulier de la vapeur d’eau saturée : A

W 51P 1 V f

=

---------------------

1.1.4.2 Liquides non visqueux 1.1.4.2.1 Soupapes conventionnelles

— pour surpression égale à 25 % : A

=

1 3,642

Q d P – Pb

---------------- -----------------------

— pour surpression inférieure à 25 % : A avec d P (bar effectif) Pb (bar effectif) S

=

1 Q d 3,642 S P – Pb

---------------- ----------------------------

densité par rapport à l’eau, pression de début d’ouverture, contrepression d’installation, coefficient de correction (figure 18).

(0)

Tableau 1 – Caractéristiques de quelques gaz et vapeurs Fluide

M

d

Acétylène ........................ Acide chlorhydrique ....... Air .................................... Alcool méthylique .......... Ammoniac ....................... Anhydride sulfureux ....... Argon ............................... Azote ................................ Benzène ........................... Butane ............................. Chlore .............................. Chlorure de méthyle ...... Éthane ............................. Éthylène .......................... Gaz carbonique ............... Gaz naturel ...................... Hélium ............................. Hexane ............................ Hydrogène ...................... Hydrogène sulfuré .......... Méthane .......................... Monoxyde d’azote .......... Oxygène .......................... Pentane ........................... Propane ........................... Protoxyde d’azote ...........

26,04 36,50 28,97 32,04 17,03 64,06 39,94 28,00 78,11 58,12 70,90 50,49 30,07 28,05 44,01 19,00 4,00 86,17 2,02 34,07 16,04 28,00 32,00 72,15 44,09 44,00

0,90 1,27 1,00 1,11 0,59 2,26 1,38 0,97 2,89 2,01 2,45 1,74 1,05 0,98 1,53 0,66 0,14 2,97 0,07 1,19 0,55 0,97 1,10 2,49 1,55 1,52

1.1.4.2.2 Soupapes à soufflet

— surpression égale à 25 % : A

=

1 Q d 3,642 L f P – Pb

=

c p

--------

c V

1,26 1,41 1,40 1,20 1,33 1,29 1,67 1,40 1,12 1,09 1,36 1,20 1,22 1,26 1,30 1,27 1,66 1,06 1,41 1,32 1,31 1,40 1,40 1,07 1,13 1,30

C 1

330 343 342 325 337 333 365 342 317 313 339 325 327 330 334 331 364 310 343 336 335 342 342 311 318 334

Figure 17 – Détermination du facteur de correction V f dans le cas d’une soupape à soufflet

Figure 18 – Détermination du facteur de correction S dans le cas d’un liquide non visqueux et d’une soupape conventionnelle

---------------- ------------------------------

— surpression inférieure à 25 % : A



1 Q d ---------------- ---------------------------------3,642 SL f P – Pb

1.1.5 Cas d’utilisations courantes 1.1.5.1 Fermeture accidentelle d’une vanne sur un circuit Le débit à évacuer par la soupape est égal au débit de la ligne à protéger.

avec L f coefficient de correction (figure 19).

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__________________________________________________________________________


Liquide circulant dans les tubes : chaque extrémité du tube est assimilée à un orifice à paroi mince, le débit à évacuer est : 

Q = 6,1 × 10 2 S –

avec Q (m3 / h) S (mm2) d

∆P (bar)

∆ P d

---------

débit, section du tube, densité du liquide aux conditions de service par rapport à l’eau, différence de pression entre les deux enceintes.

1.1.5.4 Cas d’un feu extérieur  Stockage de gaz liquéfié : la quantité de vapeur à évacuer sera (formulation API 520) : Q = avec Q (kg/h) F As (m2) λ (kJ/kg) 

débit massique de vapeur à évacuer, coefficient d’isolation du réservoir, surface mouillée, chaleur de vaporisation.

Stockage de gaz : formule API 520 Part I :

Figure 19 – Détermination du facteur de correction L f dans le cas des liquides non visqueux et d’une soupape à soufflet

1.1.5.2 Arrêt ou mauvais fonctionnement d’un condenseur Cet incident engendre une phase vapeur supérieure à celle initialement prévue. La soupape de sûreté doit pouvoir évacuer la différence des deux débits. 1.1.5.3 Crevaison d’un tube d’échangeur Dans ce cas, le fluide à pression la plus élevée va se déverser dans l’enceinte basse pression par les deux extrémités du tube crevé. 

Gaz ou vapeur côté haute pression :

— si la pression aval est inférieure à la pression critique, le débit à évacuer est donné par la relation suivante (cas d’une tuyère convergente – divergente à la vitesse sonique au col) : Q = 2,3S γ

 γ 2 1 

( γ + 1 ) / ( γ – 1 )

-------------+

P 1 V 1

--------

avec Q (kg/h) γ

débit, rapport des capacités thermiques massiques c du gaz ------p - , c V P 1 (bar absolu) pression (haute pression), V 1 (m3 /kg) volume spécifique du fluide, 2 S (mm ) section de la soupape ; — si la pression aval est supérieure à la pression critique, chaque extrémité du tube est assimilée à une tuyère convergente, le débit à évacuer est donné par la relation : Q = 2,3 S

P 1 V 1

--------

2 γ P 2 -------γ 1 P 1

------------–

P    1  P  2/ γ

avec P 2 (bar absolu) pression aval.

–

2

--------

1

( γ – 1 ) / γ



155 280 F ⋅ As 0,82 λ

-------------------------------------------------

A avec A (cm2) Az (m2) F ′ P 1 (bar)

=

′ ⋅ Az ----------------18,5 --F P 1

section de décharge, section exposée du réservoir, facteur dépendant de la température du gaz et de γ , pression absolue de décharge (pression de début d’ouverture + surpression).

1.1.5.5 Expansion thermique de liquide Formule API 520 Part I : BH Q = 0,001 ---------dc avec Q (m3 /h) B (oC –1) H ( kJ/ h ) d c (kJ/kg · oC)

débit à évacuer, coefficient d’expans ion volumétrique : 0,000 18 pour l’eau, 0,001 8 pour les hydrocarbures légers 0,000 72 pour les fiouls, quantité de chaleur transmise, densité du liquide par rapport à l’eau (eau = 1), chaleur spécifique du liquide.

1.1.6 Installation Les conditions correctes d’installation des soupapes de sûreté sont développées dans le document API 520 Part II.

1.1.6.1 Conditions à respecter — Montage de la soupape en position verticale. — La soupape doit se monter sur une tubulure ayant un orifice au moins égal à celui de l’entrée de la soupape et dont la longueur soit la plus courte possible. La perte de charge dans la tubulaire d’entrée doit être au plus égale à 3 % de la pression de début d’ouverture ; si cette perte de charge est excessive, il y a risque de battement de la soupape.


A 767 − 9


Les battements de la soupape ainsi que les vibrations du montage peuvent détériorer rapidement les portées d’étanchéité de la soupape. — L’orifice de la tubulure d’échappement ne doit pas être inférieur à celui de la sortie de la soupape. Par ailleurs, la contrepression variable provoquée par l’écoulement du fluide doit être limitée à 10 % de la pression de début d’ouverture. — La tubulure de sortie doit être déterminée et fixée de manière à éviter toute contrainte excessive sur le corps de la soupape et sur la tubulure d’entrée. — Si la soupape est équipée d’un silencieux, celui-ci doit être d’une capacité suffisante pour éviter toute contrepression supplémentaire (tenir compte d’un dépôt éventuel dans le silencieux pendant sa durée de fonctionnement). — Les soupapes à soufflets doivent toujours être prévues avec chapeau ventilé.

1.1.6.2 Contraintes à prendre en compte — Contraintes thermiques, dues à l’environnement et au fonctionnement de la soupape. — Contraintes mécaniques dues : • au poids propre de la tubulure de sortie ; • aux efforts dynamiques provoqués par l’échappement du fluide par la soupape (changement de sens de 90 o du fluide dans la soupape). — Pour les gaz ou la vapeur, en régime subsonique, la force engendrée est inférieure à celle calculée par la relation suivante : F avec F (N) M (g / mol) R (J/mol · K) T (K) W (kg / s) Z

γ

=

W

Z γ R T γ 1 M

-------------- ------+

force de réaction horizontale au centre de l’orifice de sortie, masse molaire, constante molaire des gaz parfaits = 8,314, température du fluide, débit massique du fluide, facteur de compressibilité du gaz, c p rapport des capacités thermiques = ------c V massiques.

Un disque de rupture est constitué par (figure 20) : — le disque proprement dit, qui est une membrane métallique mince et circulaire ; — des brides métalliques, appelées porte-disque, permettant le montage du disque de rupture sur la conduite.

1.2.2 Applications Les disques de rupture peuvent être mis en œuvre lorsque : — le processus à protéger peut être soumis à de brusques variations de pression ; — l’étanchéité du dispositif doit être complète ; — de grandes sections de passage sont nécessaires pour évacuer la surpression ; — les conditions de service peuvent occasionner des dépôts ou des collages incompatibles avec le bon fonctionnement d’autres dispositifs de sécurité. Les disques de rupture peuvent donc être installés : — en protection primaire quand il n’y a pas nécessité de refermeture après la chute de pression (figure 21a ) ; — en protection primaire double avec possibilité de passer instantanément sur le disque de réserve par l’intermédiaire d’un robinet de jumelage (figure 21b ) ; — en protection secondaire, le disque de rupture est monté en parallèle avec une soupape de sûreté tarée à une pression inférieure, il assure l’évacuation du fluide en cas d’explosion ou de réaction incontrôlée, provoquant rapidement une très importante augmentation de volume que la soupape serait incapable d’évacuer (figure 21c ) ; — en montage combiné, monté en amont d’une soupape de sûreté, il protège celle-ci contre l’action des fluides particulièrement corrosifs ou des produits polymérisants (figure 21d ).

1.2.3 Description 1.2.3.1 Disques de rupture 1.2.3.1.1 Disques concaves

La zone concave est soumise à la pression. Dès que celle-ci atteint la valeur prédéterminée, le disque éclate. Le disque concave est le plus couramment utilisé.

Remarque : pour les liquides cette force est donnée par la

relation :

Q 2 F = ρ ⋅ ---------S avec Q (m3 /s) débit volumique, S (m2) section d’écoulement, ρ (kg/m3) masse volumique.

1.2 Disques de rupture 1.2.1 Définition Suivant la norme NF E 29-306, un disque de rupture est un dispositif destiné à limiter la pression d’un fluide à une valeur prédéterminée ; il fonctionne par déchirement d’un élément étalonné sous l’action de l’excès de pression.

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Figure 20 – Disque de rupture


__________________________________________________________________________

Une variante du disque concave est constituée par le disque concave pré-incisé en croix sur la face aval. Cette incision permet l’éclatement à la pression désirée sans fragmentation. 1.2.3.1.2 Disque convexe ou inversé

La surface convexe est soumise à la pression. Pour ce type de disque, lorsque le fluide atteint la pression prédéterminée, la forme convexe devient concave, ce qui entraîne la rupture du disque. Cette rupture peut être facilitée par la forme en couteau du porte-disque aval qui incise le disque. 1.2.3.1.3 Disque plan

1.2.3.1.4 Variantes particulières Disque avec support de vide : lorsqu’une installation est soumise au vide, ou alternativement à la pression et au vide, il y a risque d’effondrement ou de retournement du disque. Afin d’éviter ce genre d’inconvénient, il est très important de vérifier que le disque dispose d’une rigidité suffisante sous l’action du vide, du fait de sa pression d’éclatement et de sa dimension. On admet en général, pour un disque concave, que les disques ayant une pression d’éclatement supérieure à 70 bar peuvent supporter sans dommage l’action du vide. Si le disque n’est pas suffisamment rigide, il faut prévoir un disque avec support de vide. Ce support est pré-découpé, sa forme est parfaitement adaptée au disque, afin d’éviter une flexion ou un retournement dû à une pulsation de pression ; lorsque l’ensemble est exposé à une pression excessive, le fluide soulève le support de vide, qui agit sur le disque en contact pour en provoquer l’éclatement. 


Montage à trois composants : un disque pouvant être réalisé à partir d’une feuille métallique très mince, il est fragile ; pour des commodités d’emploi, ou pour protéger le disque côté aval, un montage à trois composants est possible. 

1.2.3.2 Porte-disques Les porte-disques nécessaires au maintien du disque de rupture et au montage sur la tuyauterie sont très variés, les types les plus communs sont : — porte-disque à brides boulonnées (figure 22) ; — porte-disque à raccord union ; — porte-disque vissé. Les porte-disques peuvent être munis d’accessoires : — vis d’écartement pour les systèmes à brides qui facilitent le montage des disques ou des ensembles préassemblés ; — clapet de décharge à bille, cet accessoire est exigé par certains codes (ASME), lorsque les disques de rupture sont montés en série ou associés à des soupapes de sûreté ; il permet d’éviter l’accumulation entre les deux disques montés en série ; en cas d’éclatement du disque amont, la bille ferme l’orifice de purge et la pression s’établit en totalité sur le second disque ; — écran utilisé lorsque le disque débouche directement à l’atmosphère, il est destiné à protéger : • le personnel ou les installations, • le disque contre les chutes d’objets qui pourraient l’endommager ; — indicateur d’éclatement pouvant être réalisé par un contacteur électrique en contact avec le dôme du disque (figure 23).

Figure 22 – Exemple de porte-disque à brides boulonnées

Figure 21 – Montages des disques de rupture

Figure 23 – Porte-disque avec indicateur électrique d’éclatement


A 767 − 11


1.2.4 Choix d’un disque de rupture

1.2.4.1.2 Température au niveau du disque

Pour un disque donné, la pression d’éclatement varie en fonction de sa température. Lorsque la température croît, la pression de rupture décroît, l’importance de la décroissance en fonction de la température étant définie par la nature du matériau constitutif (figure 24). La tendance au fluage sous contrainte des métaux s’accroît avec la température. Il est donc nécessaire de prévoir, en fonction de la température croissante du disque, un accroissement de la marge entre la pression de service et la pression d’éclatement. Les températures maximales d’utilisation dépendent de la nature du disque (tableau 3).

1.2.4.1 Conditions de service Les conditions de service qui déterminent le choix des disques de rupture sont : la pression d’éclatement, la température au niveau du disque, la nature du produit au contact du disque, l’atmosphère extérieure, la possibilité de mise sous vide (tableau 2). 1.2.4.1.1 Pression de service

Si la pression de service est très voisine de la pression d’éclatement, un amincissement localisé du disque risque de se produire et peut entraîner sa rupture prématurée. Pour obtenir une durée de service économique d’un disque, il est donc impératif que celui-ci ne soit pas soumis à des pressions trop proches de la pression d’éclatement. On admet qu’un disque soumis à une pression de service égale à 70 % de sa pression d’éclatement (à température ambiante) peut durer indéfiniment.

1.2.4.1.3 Corrosion

Le disque étant réalisé à partir d’une feuille mince, les effets de la corrosion due au fluide ou à l’atmosphère peuvent provoquer un éclatement prématuré du disque. Le choix du disque doit donc s’effectuer à partir des guides de corrosion des constructeurs. (0)

Tableau 2 – Sélection des disques e l b e m p e y T s n e ’ d

Contraintes d’utilisation

Concave

Convexe inversé

Renforcé

s e r è i t a M

8 / 8 1 x o n I

l e n o c n I

l e n o M

l e k c i N

t n e g r A

e r v i u C

m u i n i m u l A

8 / 8 1 x o n I

l e n o c n I

l e n o M

l e k c i N

8 / 8 1 x o n I

l e n o c n I

l e n o M

l e k c i N

PRESSION DE SERVICE Rapport de pression de service sur pression d’éclatement (%)

    

60 70 80 90

T T V P

T T V P

T T V P

T T V P

T V P P

T V V P

T R V P

T T T T

T T T T

T T T T

T T T T

T T R V

T T R V

T T R V

T T P P

TEMPÉRATURE DE SERVICE (oC)

        

120 230 315 400 425 540

T T T V P P

T T T T T R

T T T T R P

T T T R P P

T P P P P P

T V P P P P

T T P P P P

T T T U P P

T T T T T R

T T T T T P

T T T T P P

T T T V P P

T T T T T R

T T T T R P

T T T R P P

CONDITIONS DE SERVICE Pression positive stable ............................... Vide partiel stable ......................................... Vide total continu .......................................... Vide occasionnel ........................................... Alternance vide/pression ............................. Pulsations modérées .................................... Pulsations sévères ........................................ Service hydraulique faible débit .................. Service hydraulique fort débit .....................

T V P P P P P T T

T V P P P P P T T

T V P P P P P T T

T V P P P P P T T

T P P P P P P T T

T P P P P P P T T

T P P P P P P T T

T T T T T T T P P

T T T T T T T P P

T T T T T T T P P

T T T T T T T P P

T T T T T T T T T

T T T T T T T T T

T T T T T T T T T

T T T T T T T T T

P R T U V

à proscrire. bonne résistance industrielle. très bonne résistance industrielle. cas particuliers (consulter l’usine). résistance variable suivant le service.

(0)

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__________________________________________________________________________


Tableau 3 – Température maximale d’utilisation, en fonction de la matière du disque Températures maximales (oC)

Métal du disque

Cuivre ou cuivre revêtu de plomb ...................... Aluminium ou aluminium revêtu de plomb ...... Acier inoxydable (AISI 316 ou 304) .................... Nickel .................................................................... Inconel .................................................................. Monel .................................................................... Argent ................................................................... Tantale .................................................................. Hastelloy B ............................................................ Hastelloy C ............................................................

120 120 315 400 (1) 540 425 (1) 120 425 540 540

(1) — En milieu réducteur, la température maximale est réduite à 200 oC pour le nickel et 260 oC pour le Monel ; — en milieu oxydant cette température est réduite à 300 oC pour le nickel et pour le Monel.

Un revêtement en matière plastique ou un placage métallique sur l’une ou les deux faces du disque est possible, pour améliorer la tenue à la corrosion. Dans ce cas, les températures maximales d’utilisation dépendent du revêtement (tableau 4). (0) Tableau 4 – Température maximale d’utilisation des disques avec revêtement Revêtement

Poly (chlorure de vinyle) ........................ Polyépoxydes ......................................... Poly (tétrafluoréthylène) ........................

Température maximale d’utilisation (oC)

65 120 230

Figure 24 – Relation entre la pression d’éclatement et la température d’un disque de rupture

1.2.4.2 Tolérances de fabrication Les disques, du fait des dispersions de forme et d’épaisseur des feuilles métalliques servant à leur réalisation, auront une pression de rupture comprise entre deux valeurs maximale et minimale, ces pressions étant indiquées sur la languette du disque. Une idée des tolérances habituelles de fabrication (épaisseur, forme, pré-découpage) est donnée par le tableau 5. (0) Tableau 5 – Tolérances de fabrication des disques de rupture usuels en fonction des pressions d’éclatement Pression d’éclatement souhaitée à 22 oC Tolérance de fabrication (%) (bar)

1.2.4.3 Dimensionnement des disques de rupture Les relations permettant de déterminer la section utile des disques de rupture sont données par les différents codes (ASME, AD Merkblätter – A1), les différentes formules sont : 

A avec A (cm2) Q (m3 /h) d P (bar absolu) 

0,2 0,4 0,7 1 1,7 3,1 6,2 18,6

à 0,4 .................................................. à 0,7 .................................................. à 1 ..................................................... à 1,7 .................................................. à 3,1 .................................................. à 6,2 .................................................. à 18,6 ................................................ à 35 ................................................... > 35 ...................................................

+ 40 à + 30 à + 20 à + 16 à + 14 à + 12 à + 10 à +8 à +6 à

– 20 – 15 – 10 –8 –7 –6 –5 –4 –3

pour un liquide non visqueux : =

Q d 3,1 P

-------------------

section de décharge nécessaire, débit à assurer, densité du fluide (eau = 1), pression de rupture ;

pour un gaz : A

=

T ------------------2,1 -----W CP 1 M

avec A (cm2) section de décharge nécessaire, W (kg /h) débit masse à assurer, T (K) température de décharge, M (g /mol) masse moléculaire, P 1 (bar absolu) pression de décharge (pression de rupture + surpression), C constante ;


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détermination de C : — dans le cas d’un écoulement supercritique ou critique (figure 25) : Pression aval absolue 2 γ / γ 1 ---------------------------------------------------------------  -------------P 1 γ + 1 



avec γ =



–

c p rapport des capacités thermiques ; c V

-------

— dans le cas d’un écoulement subcritique (figure 26) : Pression aval absolue P 1

---------------------------------------------------------------

C dans ce cas est fonction de γ =



 γ 2 1 



γ / γ – 1

-------------+

c p et du rapport de pression : c V

cas particulier de la vapeur d’eau : — vapeur saturée : A = ------W --------32P 1

avec A (cm 2) section de décharge nécessaire, W (kg/h) débit à assurer, P 1 (bar absolu) pression de décharge (pression de rupture + surpression) ; — vapeur surchauffée : A = ---------W ------------32P 1 C s avec C s coefficient de surchauffe pris sur la figure 27.

-------

Pression aval absolue P 1

---------------------------------------------------------------

1.3 Purgeurs de vapeur d’eau 1.3.1 Définition Suivant la norme NF E 29-416, un purgeur automatique de vapeur d’eau est un appareil de robinetterie autonome, qui évacue de manière automatique les condensats se formant dans une enceinte contenant de la vapeur d’eau, tout en restant étanche en présence de vapeur vive ou en établissant si nécessaire un écoulement prédéterminé de vapeur. 

E xe mp le : pour une tuyauterie en caniveau correctement calorifugée, de diamètre de l’ordre de 500 mm et distribuant de la vapeur saturée à 180 o C, la masse d’eau de condensation est de l’ordre de 0,4 kg/h.

Figure 25 – Écoulement critique : détermination de C

Figure 27 – Détermination du coefficient de surchauffe Figure 26 – Écoulement subcritique : détermination de C

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__________________________________________________________________________


Du fait que l’eau de condensation, extraite de l’installation au moyen des purgeurs, passe d’une enceinte à pression élevée (celle de la vapeur) à une enceinte basse pression (réseau de collecte des condensats ou même à pression atmosphérique), il se produit un phénomène de revaporisation dû au nouvel équilibre pressiontempérature. 

Par exemple : par kilogramme d’eau purgée à 180 oC à la pression atmosphérique, il y aura revaporisation de 0,15 kg.

Il est possible de récupérer cette vapeur par utilisation d’un vase de revaporisation.

1.3.2 Description D’après la norme NF E 29-416 on distingue trois classes de purgeurs.

Figure 28 – Purgeur à flotteur fermé

1.3.2.1 Purgeurs à flotteur 1.3.2.1.1 Purgeur à flotteur fermé (figure 28 ) 

Fonctionnement :

— l’eau de condensation s’accumule dans le corps du purgeur ; un flotteur par l’intermédiaire d’un clapet ouvre l’orifice d’évacuation des condensats dès que le niveau atteint une certaine valeur ; — ce purgeur doit être complété par un système d’évacuation de l’air lors de la mise en route de l’installation, cette mise à l’air peut être réalisée par un robinet d’isolement ou, dans le cas général, par un purgeur thermostatique. 

Avantages de ce type de purgeurs :

— il peut s’adapter à des conditions de fonctionnement étendues en pression et en débit ; — avec une évacuation automatique de l’air, ils sont adaptés aux installations à fonctionnement intermittent ; — les appareils à clapet ont une bonne étanchéité à la vapeur. 

Inconvénients :

— nécessité d’un montage horizontal ; — fonctionnement discontinu ; — ouverture et fermeture difficiles à rendre progressives ; — protection contre le gel de la garde d’eau lors d’arrêts de l’installation ; — évacuation de l’air nécessaire pour que le fonctionnement soit correct. 1.3.2.1.2 Purgeurs à flotteur ouvert

On distingue deux types de purgeurs à flotteur ouvert : — purgeurs à flotteur direct ou type seau ; — purgeurs à flotteur inversé (figure 29), ce dernier type étant le plus répandu. 

Fonctionnement du purgeur à flotteur inversé :

— le flotteur est constitué par une capacité cylindrique, ouverte à sa base et munie d’un trou d’évent à sa partie supérieure ; — l’eau à évacuer arrive par le bas du purgeur, le niveau monte dans le corps de l’appareil ainsi que dans le flotteur qui reste en position basse grâce au trou d’évent ; — s’il y a arrivée de vapeur, celle-ci remplit le flotteur qui se met à flotter et ferme ainsi l’orifice de sortie du purgeur ; — la vapeur s’échappe progressivement du flotteur par le trou d’évent, et, si elle n’est pas renouvelée, le flotteur redescend.

Figure 29 – Purgeur à flotteur inversé ouvert 

Avantages de ce type de purgeur :

— simplicité mécanique ; — ces appareils peuvent supporter des coups de bélier accidentels ; — possibilité d’utilisation en haute pression et avec de la vapeur surchauffée (avec clapet de retenue sur l’arrivée). 

Inconvénients :

— capacité en débit réduite pour l’évacuation des gaz et de l’air (taille du trou d’évent) ; — montage vertical ; — ces appareils ne peuvent fonctionner que pleins d’eau ; il est donc nécessaire que ce purgeur soit installé en contrebas de la bouteille de purge ; — de brusques chutes de pression peuvent revaporiser la garde d’eau dans l’appareil, ce qui amène l’ouverture du clapet d’échappement ; — nécessité de prévoir une protection contre le gel lors de l’arrêt des installations, le calorifugeage de l’appareil risquant d’augmenter la tendance à la revaporisation.

1.3.2.2 Purgeurs thermostatiques Pour ce type de purgeur, les mouvements d’ouverture et de fermeture de l’obturateur sont provoqués par les variations de température d’un élément à fort coefficient de dilatation (figure 30). Ces éléments à fort coefficient de dilatation peuvent être : — bimétalliques ; — à tension de vapeur ; — à dilatation de liquide.


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Fonctionnement : les éléments à dilatation des purgeurs thermostatiques ouvrent l’orifice de purge dès que la température de la vapeur devient inférieure, d’une certaine valeur, à la température de saturation de la vapeur à la pression considérée ; leur conception plus ou moins élaborée permet d’obtenir une courbe de fonctionnement pression-température proche de la courbe de saturation de la vapeur (figure 31). 



Avantages des purgeurs thermostatiques :

— fonctionnement continu possible ; — à froid, ils sont grands ouverts et laissent échapper l’air librement ; — appareils robustes (à éléments bimétalliques et à dilatation de liquide) ; — ils ne craignent pas le gel ; — certains appareils ne nécessitent pas de réglage en cas de changement de pression de fonctionnement (faible coefficient de compressibilité) ; — entretien simple et peu onéreux. 

Figure 30 – Purgeur thermostatique

Inconvénients :

— les éléments à dilatation ont une constante de temps non négligeable, ils ne peuvent donc pas réagir aux changements rapides de régime ; — certains éléments à dilatation présentent un phénomène d’hystérésis non négligeable ; — risques de corrosion des éléments de dilatation ; — peu adaptés aux débits variant rapidement.

1.3.2.3 Purgeurs thermodynamiques Ils sont appelés thermodynamiques parce que : — l’ouverture peut se produire du fait des échanges thermiques entre la chambre de pression et l’ambiance extérieure ; — la fermeture est réalisée par l’effet dynamique de la vapeur. 1.3.2.3.1 Purgeurs à disque 

Fonctionnement :

— à la mise en service de l’installation, l’obturateur se détache des portées du siège sous l’effet de la pression d’entrée (figure 32), les condensats ainsi que l’air sont évacués ; — avec l’échauffement du condensat et du fait de la perte de charge dans le purgeur, celui-ci se revaporise partiellement ; — le mélange d’eau et de vapeur de revaporisation s’écoule sous l’obturateur, à une vitesse de plus en plus grande, fonction de la température du condensat ; — avec la vitesse croissante, la pression statique sous l’obturateur diminue (la pression totale restant constante), donc l’obturateur s’abaisse sur le siège et obture les orifices d’entrée et de sortie (la pression agit sur la section totale de l’obturateur côté chambre de pression et sur une section faible sous l’obturateur) ; — du fait de la déperdition de chaleur par le corps du purgeur, la pression statique dans la chambre de pression diminue ; à un moment donné, la pression d’entrée du purgeur peut de nouveau soulever l’obturateur, le purgeur évacue le condensat et un nouveau cycle recommence. 

Figure 31 – Courbe de fonctionnement d’un purgeur thermostatique

Figure 32 – Purgeur à disque Inconvénients :

Avantages des purgeurs à disque :



— — — — — — — —

— fonctionnement bruyant ; — ils peuvent présenter des difficultés au démarrage de l’installation (création d’une poche d’air) ; — sensibilité à la contrepression, en sortie.

encombrement faible ; capacité de débit importante ; simplicité, fiabilité ; possibilité de fonctionner sur une plage étendue de pression ; bonne tenue à la corrosion ; peu sensibles aux vibrations et aux coups de bélier ; peu affectés par le gel ; peu de déperdition de vapeur vive.

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__________________________________________________________________________


1.3.2.3.2 Purgeurs à impulsion 

Fonctionnement :

— au démarrage l’air et les condensats poussés par la vapeur arrivent au purgeur (figure 33), la pression à l’entrée est élevée, elle est faible dans la chambre de pression ; l’obturateur s’ouvre, ce qui permet l’écoulement des condensats et l’évacuation de l’air ; — la température des condensats qui s’écoulent s’élève, la pression de la chambre de pression augmente suite à la revaporisation ; l’orifice de décompression étant petit, la pression dans la chambre de pression est à un moment suffisante pour refermer l’obturateur ; — l’obturateur étant fermé, la vapeur vive peut s’échapper par l’orifice de décompression. 

Avantages des purgeurs à impulsion :

Figure 33 – Purgeur à impulsion

— faible encombrement ; — capacité de débit élevée ; — possibilité de fonctionner sur une plage étendue de pression ; — ils permettent une bonne évacuation de l’air (échappement en position fermée de l’obturateur). 

Inconvénients :

— fuite continue de vapeur vive ; — ils nécessitent un filtrage à l’amont (faible jeu de l’obturateur dans la chambre de pression) ; — sensibles à la contrepression ; — bruyants.

Figure 34 – Purgeur à orifices

1.3.2.3.3 Purgeurs à orifices

34), une partie des condensats se revaporise. Cette revaporisation limite le débit de condensat ou de vapeur. 



Fonctionnement : en traversant les orifices (figure

Avantages :

— simplicité ; — faible encombrement. 

Inconvénients :

— consommation ; — bruit.

1.3.3.2.1 En régime établi

On peut considérer le débit d’eau de condensation ou la dissipation de chaleur du système de purge.

1.3.3 Choix d’un purgeur 1.3.3.1 Critères de qualité 

Fonctionnement :

— évacuation rapide et totale des condensats ainsi que des incondensables ; — grande plage de fonctionnement en pression et en débit ; — insensibilité à la contrepression ; — fiabilité ; — tenue à la corrosion, au gel, à la surchauffe ainsi qu’à l’encrassement ; — fonctionnement le plus continu possible (adaptation continue au volume de condensat formé) ; une purge intermittente présente les inconvénients suivants : • accumulation de condensats pendant la période de fermeture du purgeur, • évacuation rapide des condensats pendant la période d’ouverture pouvant amener des inconvénients en aval des purgeurs (bruit et vibrations). 

1.3.3.2 Détermination du purgeur La capacité des purgeurs sera définie par : — le débit en régime établi ; — le débit nécessaire lors de changement de régime (changements définis par la variation de température). Il s’agira de vérifier que la capacité ainsi déterminée est suffisante pour le démarrage de l’installation.

Coût d’exploitation :

— étanchéité à la vapeur vive ; — peu de pertes calorifiques, un purgeur ne doit pas nécessiter pour son fonctionnement une chute de température élevée ; — facilité d’entretien et de contrôle.

La détermination du débit d’eau de condensation à purger dans la tuyauterie affectée au purgeur peut s’effectuer : — en utilisant les abaques donnant la condensation de la vapeur dans les tuyauteries (Guide technique de la vapeur d’eau ) ; — en calculant la déperdition de chaleur dans la tuyauterie à l’aide des relations suivantes : • pour une conduite non isolée placée dans l’air : 

q =

2 π ( T T ′ ) r 2 1 1 1 ------------- + ------- In ------ + ------------k 1 r 1 λ 1 r 1 k 2 r 2

– ------------------------------------------------------------------

avec k 1 (W · m–2 · K–1) coefficient de transmission superficielle interne, –2 –1 k 2 (W · m · K ) coefficient de transmission superficielle externe, –1 q (W · m ) flux thermique, r 1 (m) rayon intérieur de la conduite (contact avec le fluide), r 2 (m) rayon extérieur de la conduite (contact avec l’air ambiant), T (oC) température moyenne du fluide, o T ′ ( C) température moyenne de l’air, –1 –1 λ 1 (W · m · K ) coefficient de conduction thermique de l’enveloppe de la conduite ;


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Exemple : pour une conduite en acier : k 1 = 11 630 W · m–2 · K–1 k 2 = 11,63 W · m–2 · K–1 (en air calme)

λ 1 = 46,5 W · m –1 · K–1 • pour une conduite calorifugée : q =

2 π ( T T ′ ) r 2 1 r 3 1 1 1 ------------- + ------- In ------ + ------- In ------ + ------------r 1 λ 2 r 2 k 3 r 3 k 1 r 1 λ 1

Exemple : pour une isolation avec de la laine de verre :

λ 2 = 0,05 W · m –1 · K–1 En ayant calculé les déperditions thermiques, et connaissant la chaleur de condensation, on peut déterminer les débits massiques des condensats : q Q = --------LV chaleur de condensation, condensats, déperditions thermiques.

En déterminant la dissipation de chaleur du système de purge : tuyauterie, bouteille de purge, purgeur, on peut prendre les valeurs suivantes : — pour la tuyauterie de liaison ( DN  65 ), de longueur 1 : q 1 = 70 W · m –1 

— pour le purgeur ( DN

40 ) : q 2 = 120 W



Q 1

=

∑ q 1 1 ∑ q 2 +

1.3.3.2.2 En régime transitoire (démarrage ou changement de régime)

Au démarrage, il s’agit de réchauffer la conduite. La quantité de condensat est donnée par la relation :

× St Q = --P-----×-----c --------------L V avec c (J · kg –1 · K –1) capacité thermique massique du matériau de la conduite, P (kg) masse de la conduite, Q (kg) masse de condensat, o St ( C) variatio n d e temp érat ure pendan t le réchauffage, LV (J · kg –1) chaleur de condensation de la vapeur.

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— pour une conduite de DN 200 : 0,07 kg/ m de conduite

– -------------------------------------------------------------------------------------------------

avec q (W · m–1) quantité de chaleur transmise, λ 2 (W · m–1 · K–1) coefficient de conduction thermique du calorifuge, r 3 (m) rayon extérieur de la conduite calorifugée, –2 –1 k 3 (W · m · K ) coefficient de transmission superficielle externe ;

avec LV (J · kg –1) Q (kg · s–1) q (W)

E xe mp le : pour l’acier la capacité thermique massique est de 0,478 kJ · kg –1 · K –1, la chaleur de condensation de la vapeur est de l’ordre de 2 · 10 6 J · kg –1 , l’ordre de grandeur de la quantité d’eau condensée pour une élévation de température de 10 oC sera : — pour une conduite de DN 150 : 0,04 kg/ m de conduite

1.3.4 Montage et conditions d’installation Les principales conditions de montage à respecter, pour assurer un bon fonctionnement, sont les suivantes : — l’évacuation des condensats s’effectuant le plus souvent par gravité, le purgeur doit donc être implanté de telle façon que son niveau supérieur se trouve sous le point le plus bas de l’installation à purger, la tuyauterie de liaison (si elle existe) entre l’installation et le purgeur doit être réalisée en pente continue sans points hauts ou bas ; — les purges pouvant s’effectuer à l’air libre ou dans un collecteur de purge, lors de l’utilisation d’un collecteur, il peut être utile de prévoir l’implantation de clapet de non-retour, pour éviter des contre-pressions ou même des réchauffements par les retours ; de plus, il est recommandé de raccorder les purgeurs à la partie supérieure du collecteur ; — en principe, implanter un purgeur par appareil à purger ; — suivant le type de purgeur, veiller à l’horizontalité ou à la verticalité de l’implantation ; — ne pas oublier la protection contre le gel, en sachant qu’un calorifugeage de l’installation n’est pas toujours possible ; — il est prudent de prévoir un filtre sur l’arrivée du purgeur, quand celui-ci n’en est pas équipé d’origine ; — dans certains cas, prévoir un contrôleur de purge.

1.4 Dispositifs divers 1.4.1 Purges d’air sur installations de vapeur La présence d’air ainsi que de gaz incondensables (O 2 et CO2) conduit aux inconvénients suivants : — action retardatrice lors de la mise en route de l’installation ; — possibilité de création de zones froides dans le corps de chauffe, ainsi que de coups de bélier avec les condensats ; — favorise la corrosion. En effet, l’air se particularise par : — sa mauvaise conductivité thermique (environ 30 fois plus faible que celle de l’eau) ; — sa faible chaleur latente ; en mélange avec la vapeur, la capacité thermique du mélange est plus faible, et, à une pression donnée, la température du mélange est plus basse que celle de la valeur saturée. Exemple : — à 3 bars de pression, la vapeur saturée est à une température de 143,75 oC ; — pour un mélange de 90 % de vapeur et de 10 % d’air, la température sera de 140,2 oC ; — pour un mélange de 75 % de vapeur et de 25 % d’air, la température ne sera plus que 135,2 oC.


__________________________________________________________________________

L’air et les gaz emprisonnés dans l’installation proviennent : — de l’air existant dans le réseau lors de la mise en route ; — de l’aspiration due au vide formé par la condensation de la vapeur ; — de l’eau d’alimentation (généralement O 2 et CO2 dissous). L’évacuation de l’air ou des gaz peut se faire : — par une purge manuelle, constituée par des robinets d’isolement implantés aux points hauts de l’installation ; cette méthode est possible sur des installations de petite taille à fonctionnement quasi continu ; — par purgeurs automatiques, certains purgeurs de vapeur d’eau (§ 1.3) sont aptes à éliminer l’air des conduites de vapeur : • les purgeurs thermostatiques, du fait que l’air et la vapeur ont des températures différentes, • les purgeurs à orifices. 

Implantation des purges d’air :

— pour les installations présentant des sections de passage importantes à la vapeur, la purge d’air s’effectue normalement aux points hauts ; — lorsque la section de passage est faible par rapport au volume à remplir, on constate que la vapeur a tendance à chasser l’air devant elle, dans ce cas l’air vient se collecter au point le plus éloigné de l’entrée de vapeur, ce point sera donc à munir d’une purge d’air.

1.4.2 Ventouses


Le flotteur F 1 est destiné à contrôler l’évacuation de petites quantités d’air, lorsque l’appareil est sous pression intérieure. Cela est possible parce que la section de portée de siège sur la tuyère est faible. Lorsqu’il y a accumulation d’air dans le corps de l’appareil, la poussée hydrostatique sur le flotteur diminue, ce qui permet l’évacuation de l’air par la tuyère. Le flotteur F 2, portant sur un siège de grande section, n’agira que lorsque la tuyauterie sera en dépression. Il permet donc l’aération de la conduite.

2. Robinetterie de contrôle 2.1 Contrôle de circulation 2.1.1 But Indiquer visuellement l’absence ou la présence d’une circulation de fluide dans la tuyauterie : contrôleur de circulation. 

Cette indication visuelle peut, pour certains types d’appareils, être complétée par un signal tout ou rien électrique ou pneumatique : 

alarme de circulation.

2.1.2 Principe

L’exploitation de canalisations importantes (comme celles d’eau potable par exemple) exige que l’entrée et l’expulsion de l’air soient traitées automatiquement. Cette fonction réalisée par les ventouses assure : — l’évacuation de l’air lors de la mise en eau de la canalisation ; — en période d’exploitation, le dégazage permanent, cela par élimination des poches d’air qui se manifestent aux points hauts de la canalisation ; — lors de la vidange de la canalisation, l’admission d’air, pour éviter que la canalisation soit en dépression. Cette ventouse comporte deux flotteurs sphériques, revêtus d’elastomère, ainsi qu’un robinet de sectionnement à commande externe (figure 35).

Les principes les plus utilisés sont : — la turbulence : essentiellement pour les contrôleurs (figure 36) ; — le déplacement d’une pièce mobile (palette, clapet, cible, battant) soumise à l’action du fluide en circulation ; ce déplacement peut être détecté sous forme d’un signal électrique (figure 37) ou pneumatique.

Figure 36 – Contrôleur de circulation à turbulence

Figure 37 – Alarme de circulation électrique à clapet Figure 35 – Ventouse automatique à trois fonctions (document PAM SA) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de c opie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique

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2.1.3 Conditions courantes d’emploi Ces conditions correspondent à celles de la robinetterie pour circuits généraux : — pression de service : jusqu’à 40 bar ; — température de service : jusqu’à 350 oC ; — dimensions : DN 8 à 200 mm ; — seuil d’indication ou d’alarme : 0,3 m/s minimum. Des exécutions spéciales pour étendre le domaine d’emploi sont possibles.

2.2 Mesure de débit par débitmètre à flotteur 2.2.1 Fonctionnement Le débitmètre à flotteur est un appareil simple de construction et d’emploi, permettant avec une précision correcte de mesurer le débit de gaz ou de liquides transparents (figure 38). Il est constitué par un tube de mesure conique, dont l’axe est vertical, ainsi que d’un flotteur. Lorsqu’un fluide traverse de bas en haut le tube, le flotteur se trouve soulevé jusqu’à une position d’équilibre déterminée par la force aérodynamique qui soulève le flotteur et le poids de ce flotteur ; entre ce dernier et la paroi intérieure du tube s’établit une fente annulaire, dont la section de passage est fonction de la position du flotteur. Le débitmètre à flotteur est un organe déprimogène à dépression constante et à section variable. La nature du flotteur est fonction du fluide. Généralement on utilise l’acier inoxydable pour la mesure avec des liquides, et des alliages légers ou des matières plastiques pour les gaz. Pour des fluides opaques ou dangereux, dans des conditions de service sévères, le débitmètre à flotteur peut être réalisé en matériaux métalliques, avec transmission magnétique de la mesure.

Figure 38 – Débitmètre à flotteur

2.2.3 Interprétation des mesures Normalement les débitmètres à flotteurs sont livrés, gradués pour mesure sur : — l’air à 20 oC et sous une pression de 1,013 bar absolu ; — l’eau à 20 oC. Mais il est possible d’obtenir des débitmètres gradués directement en fonction des conditions de service. Dans le cas où les conditions de service sont différentes de celles de l’étalonnage, il sera nécessaire d’appliquer des corrections aux lectures relevées sur le débitmètre.

2.2.3.1 Détermination des coefficients de correction dans le cas des liquides (d’après le catalogue Elliott-Houdec) Q lvs = CO lv ⋅ Q lve

2.2.2 Caractéristiques Les plus courantes sont : — limites de débit pouvant être mesurées : • liquides : de 0,01 dm3 /h à 25 m 3 /h, • gaz de 0,2 dm3 /h à 250 m 3 /h ; — longueur de l’échelle de mesure : de 200 à 300 mm ; — étendue de mesure : 1 à 10 (débit minimal mesurable égal à 10 % du débit maximal) ; — précision : de l’ordre de ± 1,5 % du débit maximal ; — dimensions : DN 8 à DN 200 ; — température maximale de service : • 150 oC pour les appareils à tube en verre, • 300 oC pour les appareils métalliques à indicateur magnétique ; — pression de service maximale : • 20 bar pour les appareils à tube en verre, • 100 bar pour les appareils métalliques ; — pertes de charge dans l’appareil : elles sont variables en fonction de la taille du débitmètre ; à titre d’exemple : • pour un débitmètre permettant de mesurer 0,1 dm 3 /h d’eau, la perte de charge est de 1,2 mbar, • pour un débitmètre mesurant 25 m3 /h, la perte de charge est de 45 mbar.

A 767 − 20

CO lv =

de ⋅ --df – ds ------------------ds df – de

---------

Q lms = CO lm ⋅ Q lme CO lm

=

ds ⋅ --df – ds ------------------de df – de

---------

avec Q Ivs (m3 / h)

déb it-vo lum e de liqui de, mes uré dans les conditions de service, CO Iv (sans dimension) coe ffic ient d e corr ect ion po ur liquides (mesure en volume), 3 Q Ive (m /h) déb it-vo lum e de liqui de, mes uré dans les conditions d’étalonnage, de densité du fluide d’étalonnage, df densité du flotteur, ds densité du fluide de service, Q Ims (kg/ h) débit-masse de liquide, dans les conditions de service, CO Im (sans dimension) coefficient de correction, pour liquides (mesure en masse), Q Ime (kg/h) débit-masse de liquide, masse mesurée dans les conditions d’étalonnage.


__________________________________________________________________________


2.2.3.2 Détermination des coefficients de correction dans le cas des gaz (d’après le catalogue Elliott-Houdec) Q gvNs = CO gvN ⋅ Q gve CO gvN =

+ ps de ⋅ --1,013 273 + te ---------------------------- ⋅ ----------------------ds 1,013 + pe 273 + ts

--------

Q gvs = CO gv ⋅ Q gv CO gv = Q gms = CO gm

=

+ pe de ⋅ -1,013 273 + ts ----------------------------- ⋅ ----------------------ds 1,013 + ps 273 + te CO gm ⋅ Q gme --------

+ ps ds ⋅ --1,013 273 + te ---------------------------- ⋅ ----------------------de 1,013 + pe 273 + ts

--------

avec Q gvNs (m3 /h)

déb it -volume de gaz , volume mesuré dans les conditions de service et ramené à 20 oC et à la pression de 1,013 bar, CO gvN (sans dimension) coefficient de correction pour gaz, pour débits exprimés en volumes ramenés à 1,013 bar et 20 oC, Q gve (m3 / h) déb it -volume de gaz , volume mesuré dans les conditions d’étalonnage et ramené à 20 o C et 1,013 bar, pe (bar) pression effective d’étalonnage, ps (bar) pression effective de service, te (oC) température d’étalonnage, o ts ( C) température de service, 3 Q gvs (m /h) débit-volume réel de gaz, volume mesuré dans les conditions de service, CO gv (sans dimension) coefficient de correction pour gaz, pour débits exprimés en volume réel, Q gv (m3 /h) débit-volume réel de gaz, volume mesuré dans les conditions d’étalonnage, Q gms (kg/h) débit-masse de gaz, mesuré dans les conditions de service, CO gm (sans dimension) coefficient de correction pour gaz, pour débits exprimés en masse, Q gme (kg/h) débit-masse de gaz, mesuré dans les conditions d’étalonnage.

Figure 39 – Débitmètre à flotteur utilisé avec un diaphragme de mesure

3. Robinetterie de réglage Dans ce paragraphe il n’est pas question d’examiner les chaînes de régulation élaborées, composées de capteurs de mesure, d’instrumentation de traitement des signaux, d’un régulateur ainsi que d’une vanne de régulation, mais de considérer les appareils de robinetterie aptes à remplir des fonctions de régulation simple (réglages) et fonctionnant sans énergie auxiliaire (appareils autonomes).

3.1 Procédés à régler Beaucoup de procédés, dans lesquels il s’agit de régler des grandeurs comme la température, la pression, la pression différentielle ou le débit, peuvent être considérés comme des systèmes proportionnels avec une ou plusieurs constantes de temps (systèmes PT1, PTn ). La réponse indicielle (réponse à un échelon unité à l’entrée) de tels procédés présente la forme générale d’un S (figure 40) : — la tangente au point d’inflexion I de la courbe d’évolution de la grandeur de sortie S permet de déterminer le délai de retard ( t U ) et le délai de montée ( t G ) ; t — le rapport ----U --- = I D représente l’indice de difficulté pour t G effectuer la régulation.

2.2.4 Montage Le débitmètre à flotteur est conçu pour être monté directement dans la tuyauterie, à condition que celle-ci soit verticale. Lorsqu’un tel montage n’est pas possible, ou pour étendre les possibilités en capacité, il est possible de monter le débitmètre en différentiel aux bornes d’un organe déprimogène (figure 39).

3.2 Régulateurs proportionnels Lorsque I D  0,2 , la régulation est réalisable facilement avec un appareil de régulation du type proportionnel P (figure 41) :

∆Y = – KR · ∆X avec KR gain du régulateur. La bande proportionnelle X P indique de combien doit varier X pour que la grandeur d’action Y varie de 0 à 100 % (figure 42) : --------X P = --100 KR


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X P  I D ⋅ K s

ou avec

ID

indice de difficulté pour réguler le système s , K s gain proportionnel du système s , X P bande proportionnelle du régulateur.

3.3 Régulateurs autonomes Pour régler une température, une pression ou une pression différentielle, il est souvent possible de faire appel à des appareils autonomes lorsque l’indice ID permet l’utilisation de régulateurs proportionnels.

3.3.1 Constitution

Figure 40 – Réponse indicielle

Cette robinetterie comprend les parties suivantes : — un élément de mesure qui peut être un élément à dilatation, un soufflet, une membrane, etc. ; — un système d’affichage de la valeur de consigne ; — un élément mécanique de détection de l’écart mesureconsigne ; — un actionneur, souvent constitué par un robinet à soupape équilibré ou non. Généralement tous ces éléments sont regroupés dans un même ensemble mécanique.

3.3.2 Avantages

Figure 41 – Montage d’un régulateur proportionnel

Ce sont les suivants : — exécution robuste ; — facilité de mise en œuvre, pas de longs réglages nécessaires, mise en œuvre possible par du personnel non spécialisé en régulation ; — coût réduit en matériel et en installation ; — indépendance par rapport aux sources d’énergie extérieures au système à régler.

3.3.3 Inconvénients Ces régulateurs : — ne sont adaptés qu’aux systèmes faciles à régler ( I D  0,2 ) ; — n’ont pas de pilotage à distance de la valeur de consigne W ; — leur bande proportionnelle X p est fixée par construction, elle n’est donc pas réglable et surtout elle ne peut être optimisée pour s’adapter au système à régler ; cette impossibilité de réglage peut, dans certains cas, réduire sérieusement les performances en précision. Figure 42 – Bande proportionnelle

La mesure X ne coïncide avec la consigne W que lorsque Y = 50 %. X -- . L’écart maximal est X – W = ± ------P 2 Pour diminuer cet écart X – W , on aurait tendance à diminuer la bande proportionnelle, donc à augmenter le gain KR . Pour des raisons de stabilité du système muni de son régulateur on démontre que : 1 KR  ------------------D I ⋅ K s

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3.4 Régulateurs de température 3.4.1 Description 3.4.1.1 Ensembles thermostatiques Ces ensembles comportent trois parties principales (figure 43). La sonde mesure de température. La matière thermostatique contenue dans la sonde est soumise à l’action de la température à régler. 


__________________________________________________________________________

Une variation de cette température entraîne un changement de volume de la matière thermostatique. La matière thermostatique peut être : — un liquide à fort coefficient de dilatation (huile par exemple) ; — un produit solide (cire chargée de particules métalliques) ; — une vapeur saturée. La sonde de mesure peut être : — cylindrique pour la mesure de la température d’un liquide (figure 43a ) ; — sous forme de serpentin en hélice pour la mesure en milieu gazeux (figure 43b ). L’affichage de la valeur de consigne ainsi que la création de l’écart [mesure – consigne (déplacement mécanique)]. Cet ensemble comporte aussi un dispositif de sécurité en cas de dépassement de la température limite.


3.4.2 Performances usuelles — Gamme de températures à régler  200 oC (gamme limitée par le principe de la mesure) ; — plage de réglage de la consigne ; autour de la valeur nominale : ± 25 oC à ± 35 oC ; — sécurité en température : les régulateurs peuvent supporter sans dommage un dépassement de la température par rapport à la gamme de mesure d’environ 50 oC ; — sensibilité : de 0,5 oC à 1 oC ; — gain de l’élément thermostatique : de l’ordre de 0,5 mm/ oC ; — temps de réponse : de 1 à 3 minutes.



L’actionneur de vanne qui crée l’effort motteur pour déplacer le clapet de la vanne de régulation en fonction des variations de température détectées. L’actionneur est le plus souvent relié à la sonde de mesure par un capillaire. 

3.4.3 Applications Beaucoup d’applications sont possibles avec ces appareils dans le domaine du chauffage, de la ventilation, de la climatisation. Les figures 44, 45 et 46 montrent quelques applications.

3.4.1.2 Vanne de réglage Cette vanne peut être à : — deux ou trois voies ; — à clapet simple, double ou équilibré.

Figure 44 – Préparation d’eau chaude par admission d’eau chaude ou de vapeur

Figure 45 – Régulation de la température d’eau mélangée à l’aide d’un régulateur à trois voies

Figure 46 – Régulation de la température d’air par admission d’eau chaude à l’aide d’un régulateur à trois voies

Figure 43 – Régulation de la température avec sonde de mesure


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Ces appareils peuvent aussi être utilisés en tant que limiteurs, limiteur de température d’eau par exemple. Le limiteur interrompt la circulation du fluide dès que la température mesurée du fluide est inférieure ou supérieure à la température de consigne.

3.5 Régulateurs de pression 3.5.1 Choix Suivant la fonction remplie, on distingue trois types de régulateurs de pression : — le régulateur de pression aval, plus communément appelé détendeur ; — le régulateur de pression amont, appelé aussi déverseur ; — le régulateur de pression qui règle la pression d’un fluide en fonction de la mesure de la pression d’un autre fluide. Suivant leur structure on distingue deux familles de régulateurs : — le régulateur simple ; — le régulateur avec pilote, permettant d’assurer un réglage plus précis ; ce genre d’appareil en régulation de pression aval est appelé détendeur-régulateur.

3.5.2 Régulateur de pression aval. Détendeur 3.5.2.1 Fonctionnement Le clapet du robinet se ferme avec l’augmentation de la pression à l’aval (figure 47). La pression à régler est en communication avec la chambre de mesure : — le clapet de réglage du débit est solidaire, en translation de la membrane ; — la membrane prend une position d’équilibre fonction de la pression dans la chambre de mesure et de l’effort appliqué par le ressort ; — le ressort est plus ou moins comprimé, cela en fonction de l’affichage de la pression souhaitée (consigne).

3.5.2.2 Applications Détendeurs pour air comprimé : ces détendeurs sont très souvent utilisés sur les circuits de distribution d’air comprimé pour stabiliser la pression de travail à une valeur fixée (figure 48), ceci lorsque : — des temporisations pneumatiques sont utilisées ; — des appareils de régulation pneumatiques sont alimentés par le circuit ; — la force d’un vérin pneumatique doit être réglée. Ces détendeurs comportent deux clapets : — le clapet E assure l’alimentation en air de l’aval (augmentation de la pression aval) ; — le clapet D permet de mettre l’aval en communication avec l’extérieur, dans le cas d’une surpression (diminution de la pression aval). 

Autres exemples : on peut citer deux applications particulières de ce type de détendeur : — détendeur de vapeur (figure 49) ; — réglage de l’admission de vapeur dans un vaporisateur (figure 50). 

Régulateur de pression aval avec pilote : le pilote, dans ce cas, est un détendeur qui traite uniquement le signal de commande en pression de l’actionneur du régulateur. Ce type de montage permet une meilleure précision de réglage (figure 51). 

3.5.3 Régulateur de pression amont. Déverseur 3.5.3.1 Fonctionnement Dans le cas du déverseur (figure 52), lorsque la pression dans la chambre de mesure augmente, la membrane se déplace pour comprimer le ressort et entraîne le clapet. La vanne s’ouvre plus, ce qui a tendance à diminuer la pression amont.

Figure 48 – Détendeur d’air comprimé (modèle Martonair)

Figure 47 – Régulateur de pression aval

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Figure 49 – Poste détendeur de vapeur


__________________________________________________________________________


3.5.3.2 Exemples d’applications Parmi elles on peut citer : — le réglage de la pression amont d’un ensemble de filtration (figure 53a ) ; — le réglage de la pression de refoulement d’une pompe (figure 53b ).

3.5.4 Performances courantes

Figure 50 – Réglage de l’admission de la vapeur dans un vaporisateur

Les régulateurs de pression autonomes sont utilisés couramment pour régler les fluides suivants : air, gaz, eau, vapeur d’eau, huiles ; leurs principales caractéristiques sont énoncées ci-après. Tenue à la corrosion : elle est fonction des matériaux utilisés, les plus courants étant : la fonte, l’acier moulé, l’acier inoxydable, le bronze et le laiton. 

Température maximale d’utilisation : de 150 à 180 oC, en fonction de la nature des élastomères constituant les membranes et les joints. Des exécutions spéciales n’utilisant pas d’élastomères (utilisation de membranes métalliques) permettent un emploi jusqu’à 350 oC. Les détendeurs d’air comprimé sont généralement conçus pour assurer un fonctionnement correct jusqu’à 80 oC. 

Pression d’utilisation maximale : 20 bar, ces appareils étant surtout utilisés pour régler des pressions faibles (généralement inférieures à 10 bar). 

Gamme de variation de la valeur de la pression à régler : de l’ordre de 1 à 5. 

Bande proportionnelle : variable suivant l’appareil, mais généralement comprise entre 0,05 et 5 bar. 

Pression différentielle minimale (différence entre la pression amont et aval) : pour pouvoir fonctionner correctement cette pression différentielle minimale sera de l’ordre de deux fois la bande proportionnelle. 

Figure 51 – Régulation de pression aval avec pilote

Dimension des appareils : — de DN 15 à DN 200 ; — pour les détendeurs d’air comprimé de 1/8 ′′ à 3/4′′. Les régulateurs se dimensionnent à l’aide de coefficient de débit C v ou K v (article Robinetterie industrielle [BM 6 900] dans cette rubrique). 

Figure 52 – Régulateur de pression amont Figure 53 – Applications des déverseurs


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4.1.1.1 Séparateurs à chocs Le fluide à dessécher débouche dans une capacité munie de chicanes (figure 55). À chaque changement de direction imposée, les gouttelettes d’eau plus lourdes sont arrêtées par les chicanes et ruissellent au point bas. L’évacuation de l’eau peut se faire manuellement par robinet d’isolement ou automatiquement par purgeur.

Figure 54 – Réglage de la pression différentielle entre la sortie et le retour à la chaudière

3.6 Régulateurs de pression différentielle Ces appareils dérivent directement des régulateurs de pression, les modifications par rapport à ceux-ci sont les suivantes : — la chambre de mesure simple est remplacée par deux chambres en opposition (mesure différentielle) ; — les chambres de mesure ne sont accessibles que par des connexions externes, il n’y a normalement pas de prise d’impulsion interne. La figure 54 montre un exemple d’application de ce type de régulateur.

4. Robinetterie diverse 4.1 Séparateurs La fonction des séparateurs est d’extraire d’un gaz ou d’une vapeur : — le ou les liquides qu’ils contiennent, dans les séparateurs de liquides ; — les solides sous forme de poussières qu’ils véhiculent, dans les séparateurs de solides. Les séparateurs courants sont basés sur les principes suivants : — séparation par chocs ; — séparation par centrifugation. Des appareils plus complexes existent, lorsque la séparation doit être plus complète, le cas le plus fréquent étant l’extraction de l’humidité : — procédé chimique ou dessicateurs : ces appareils sont constitués d’une capacité remplie de produits chimiques qui absorbent l’humidité du gaz qui les traversent ; lorsque les produits sont saturés en eau, il faut les remplacer ou les régénérer ; — sécheurs réfrigérants : l’air ou le gaz sont refroidis par un système de réfrigération afin de condenser l’humidité présente.

4.1.1 Séparateurs de liquide Les purgeurs d’eau, qui évacuent l’eau collectée aux points bas des conduites, n’ont aucun effet sur l’eau vésiculaire en suspension dans le gaz ou la vapeur. Les séparateurs permettent de traiter cette eau en suspension. Ils seront implantés aux endroits les plus froids de l’installation, ou en amont des appareils à protéger contre l’érosion des gouttelettes de liquide.

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4.1.1.2 Séparateurs par centrifugation Ils assurent (figure 56) la séparation des particules lourdes par centrifugation, tout en évitant leur entraînement en sortie d’appareil. L’évacuation du liquide peut se faire comme pour le séparateur à chocs.

4.1.2 Séparteurs de solides Les séparateurs de solides (sous forme de poussières) courants sont du type : — à chocs ; — à cyclones.

4.2 Filtres 4.2.1 But Éliminer les corps étrangers qui circulent dans les tuyauteries (rouille, poussières, calamines, sédiments, etc.) afin de protéger les appareils sensibles comme les détendeurs, purgeurs, distributeurs, organes de mesure.

4.2.2 Filtres pour liquides On peut citer les filtres à tamis utilisés sur les circuits de vapeur, d’air, d’huile et d’eau (figure 57). Cet appareil se compose d’un corps et d’un panier cylindrique en tôle perforée ou en toile métallique. Le chapeau inférieur permet le démontage pour le nettoyage du panier filtrant.

4.2.3 Filtres pour gaz 4.2.3.1 Filtres pour air comprimé Pour les réseaux d’air comprimé, deux types de filtration sont réalisés : — filtration à l’aspiration du compresseur pour éliminer la poussière atmosphérique ; ces filtres sont à base de matières textiles ou synthétiques poreuses, et sont souvent complétés par un bain d’huile ; — filtration dans le réseau de distribution, pour protéger les distributeurs et les vérins. Dans les filtres courants pour air comprimé (figure 58) l’épuration de l’air se fait par : — effet centrifuge ; — filtration. On distingue deux catégories d’éléments filtrants : — éléments à grosseur de pore uniforme comme les tôles perforées, les toiles métalliques, les corps frittés ; la durée de service de ces éléments est fonction de la surface ; — éléments à porosité dégressive dans le sens de l’écoulement ; la capacité de retenue d’un tel élément est fonction du volume.


__________________________________________________________________________

Figure 55 – Séparateur à chocs


Figure 58 – Filtre pour air comprimé

Le pouvoir filtrant de ces appareils est généralement exprimé en micromètres. Il n’est pas conseillé de choisir un filtre de porosité plus faible que nécessaire, car sa durée de service en sera réduite. Les filtres pour air comprimé sont généralement utilisés avec une filtration de 25 à 50 micromètres. Dans la partie inférieure du filtre s’accumule de l’eau, de l’huile, des boues, etc. L’élimination peut être manuelle (robinet d’isolement), automatique (lorsque la pression chute à 0,2 bar environ) ou pilotée. Figure 56 – Principe du séparateur par centrifugation

4.2.3.2 Filtre régulateur pour air comprimé Pour donner un filtre régulateur d’un faible encombrement et facile d’emploi on associe très souvent (figure 59) : — un élément régulateur de pression ; — et un élément filtrant. 4.2.3.3 Filtre épurateur Cet appareil permet la filtration de grands volumes d’air ou de gaz, avec un pouvoir filtrant élevé (jusqu’à 5 micromètres) (figure 60).

4.3 Accumulateurs hydrauliques 4.3.1 Buts des accumulateurs Figure 57 – Filtre à tamis en Y

Un accumulateur hydraulique est un appareil capable d’emmagasiner l’énergie transmise par un liquide sous forme de volume et de pression, et de la distribuer à la demande ; son rôle consiste à : — accumuler l’énergie, et la distribuer à la puissance voulue, cela permet de réduire la puissance installée ;


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— faire fonction d’antibélier, en absorbant l’énergie transmise par le liquide, lors de ralentissements brusques de la vitesse dans une canalisation ; — absorber les pulsations de pression produites par une pompe ; — compenser les fuites, par constitution d’un réserve sous pression ; — absorber les variations de volume d’un liquide, provoquées par les différences de température dans un circuit, et maintenir constamment le circuit sous pression ; — transmettre intégralement les pressions d’un fluide à un autre sans risque de mélange.

4.3.2 Différents types d’accumulateurs On distingue : — les accumulateurs à piston ; la charge du piston pouvant être réalisée par contrepoids, par ressort, ou par compression de gaz ; — les accumulateurs à gaz sans séparation, ces appareils présentant l’inconvénient de permettre l’absorption du gaz par le liquide ; — les accumulateurs à membrane (figure 61) ; — les accumulateurs à vessie (figure 62).

Figure 60 – Filtre épurateur

Figure 61 – Accumulateur à membrane (modèle Leduc)

Figure 59 – Filtre régulateur pour air comprimé

Figure 62 – Accumulateur à vessie (modèle Olaer)

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Appareillages de contrôle des fluides dans les tuyauteries par Jean SUTTER Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Arts et Métiers Ingénieur IAG (École Nationale Supérieure d’Électrotechnique, d’Hydraulique, de Radioélectricité et de Mathématiques appliquées de Grenoble) Directeur Technique Robinetterie Industrielle à la société Pont-à-Mousson SA

Bibliographie Ouvrages PEARSON (G.H.). – The design of valves and fittings. Pitman and Sons (1951). NEUKIRCHNER (J.), SCHMIDT (H.J.) et ULLMANN (H.). – Rohrleitungen und Rohrleitungs- armaturen. J. Auflage VEB Fachbuchverlag Leipzig (1978). La robinetterie. Classification, fonctions, choix. Fascicule, no 57 A, EDF Service de la production thermique Division formation, sept. 1970.

Les Purges. Fascicule, n o 58, EDF Service de la production thermique. Division formation (1979). CPCU. Guide technique de la vapeur d’eau. Technique et Documentation (1980). McADAMS (W.H.). – Transmission de la chaleur. Dunod (1961). KREITH (F.). – Transmission de la chaleur et thermo- dynamique. Masson (1967). Catalogue formulaire. Sereg (1982). Formulaire Pont à Mousson SA. Lavoisier (1978). NORTHCROFT (L.G.). – Steam trapping and air venting. Hutchinsons Sci. Techn. Publications (1955). PEARSON (G.H.). – Valve design. Mechanical Engineering Publications Ltd (1978). e

RABALD (E.). – Corrosion guide. 2 éd., Elsevier Sci. Publ. Co. (1968). HAMNER (N.E.). – Corrosion data survey. 5e éd., Nat. Assoc. Corrosion Engrs (NACE) (1974).

Articles de revue et documents divers HEINICKE (E.). – Vollhubsicherheitsventile für die

chemische Industrie und den Erdgaseinsatz.

Technische Information Armaturen (DDR), n o 13 (1978). ROMMER (H.J.). – Auswahl und Einsatz von Sicher- heitsventilen. Technische Information Armaturen (DDR), no 12 (1977). DILLON (J.A.). – Guide to selecting pressure relieving devices. Instruments and Control System (USA), avril 1973. KELLEY (W.R.). – Use pressure relief valves for equipment safety. Plant Engineering (USA), janv. 1967. RICHTER (H.). – Sicherheitsventile und Sicherheits-

einrichtungen für konventionelle und nukleare Kraftwerke. 3 R International (D), n o 8, août 1977.

MERRITT (R.). – Safety and relief valve up date. Instruments Control System (USA), mai 1980. VAHLDIECK (W.). – Sicherheitsventile für die Ver- fahrenstechnik. Energie und Technik (D), déc. 1964. DOKAINISH (A.) et ELMADANY (M.). – On the non- linear response of a relief valve. Mechanical Design (USA) 100 , oct. 1978. MENGE (R.). – Dynamische Untersuchungen an Brechsicherungen. Technische information Armaturen (DDR), no 15 (1980). ROCEK (J.). – Neue Erkenntnisse über Federsicher-

heitsventile für Hochdruckdampfkessel.

Maschinenbautechnik (D), n o 10 (1963). COPIGNEAU X (P.). – Le calcul des soupapes de sûreté et les différentes législations. Rev. Gén. Thermique (F), n o 203, nov. 1978. GROSSI (P.). – Sul coefficiente di portata di valvole

BORDELON (T.R.). – Temperature effects on pressure relief valve function. Power Engineering (USA), nov. 1978. WILLARDSON (D.F.). – How to protect from over pressure. Instruments and Control Systems (USA), août 1977. RICHTER (H.). – Schnellsteuerung für Sicherheits-

ventile in konventionellen Kraftwerken am Beis- piel der Zwischenneberhitzer. Absicherung. VGB

Kraftwerkstechnik (D), n o 11, nov. 1976. THOMPSON (L.) et BUXTON (O.E.). – Maximum isen-

tropic flow of dry saturated steam through pressure relief valves. J. Pressure Vessel Technology (USA), 101, mai 1979. KERN (R.). – Pressure – relief valves for process plants. Chem. Engineering (USA), 28, fév. 1977. GOODE (W.). – Sizing relief valves for liquids.

con luce di efflusso a spigolo vivo in particolare valvole di sicurezza. La Termotecnica (I), n o 2

Heating Piping, Air Conditioning (USA), oct. 1977. ARENS-FISCHER (F.). – Erfahrungen bei Funktions-

(1978). RICHTER (S.H.). – Size relief systems for two phase flow. Hydrocarbon Processing (USA) 57 , juil. 1978. BROWN (M.M.) et FRANCE (D.W.). – How to protect

no 12, déc. 1976. TUFFENTSAMMER (K.). – Gerauschunter-

air cooled heat exchangers against overpressure. Hydrocarbon Processing (USA) 54 ,

août 1975. PEARSON (G.H.). – Combined pressure and vacuum relief valves. Engineering Materials and Design (GB), no 7 (1972). BRODOWSKI (W.). – Stabilitätsbedingungen

direktwirkender Druckbegrenzungsventile.

Industrie Anzeiger (D), n o 80 (1973) ; n o 90 (1973). GREEN (W.L.). – A systematic approach to designing poppet relief valves. Hydraulics and Pneumatics (USA), juil. 1969. BARTKNECHT (W.). – Explosion pressure relief. Chem. Engng Progress (USA), sept. 1977. ANSELMANN (H.). – Neuentwicklung von Sicher-

heitsventilen für die Verfahrenstechnik.

Konstruktion (D), n o 9 (1969). BRANDMAIER (H.E .) et KNEBEL (M.E.). – Steam flow through safety valve vent pipes. Fluids Engineering (USA), juin 1976. ANDERSSON (F.E.). – Pressure relieving devices. Chem. Engineering (USA), 24, mai 1976.

prüfungen an gesteuerten Sicherheitseinrich- tungen gegen Drucküberschreitung an Dampfkesseln. VGB Kraftwerkstechnik (D),

suchungen an Druckbegrenzungsventilen.

Industrie Anzeiger (D), n o 89 (1976). BAUMEISTER (H.). – Sicherheitsarmaturen in Gasleitungssystemen. 3 R International (D) Heft, 1, janv. 1977. MENGE (R.). – Zuverlässigkeit von Sicherheits- ventilen. Technische Information Armaturen (DDR), 13 (1978). RICHTER (S.H.). – Relief and blowdown for two phase flow. 43rd Midgear Meeting Amer. Petroleum Inst., 8-11 mai 1978. CHALEKODE (K.). – Estimation of ground level

concentration due to emissions from rupture disc failure and relief valve opening. 71st Annual

Meeting of the Air Pollution Control Association Houston Texas, 23-30 juin 1978. CHIAPPINI (E.), FERRARIO (A.) et TOMASINI (E.). –

Su di una valvola di sicurezza con atturatore a mantello. La Termotecnica (I), n o 11 (1979). COPIGNEAUX (P.). – Débit théorique des soupapes de sûreté. Rev. Gén. Thermique (F), n o 243, mars 1982.

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