Comment Fonctionnent les Soupapes de Sécurité ?

La nouvelle norme de l'UE rassemble les soupapes de sécurité, les soupapes de décharge de pression et les soupapes de décharge de sécurité en une seule norme - les soupapes de sécurité. Fait intéressant, la norme américaine ASME/ANSI continue de diviser ces trois fonctions. En raison du risque potentiel pour la vie causé par des systèmes défaillants, la plupart des nations du monde ont une norme nationale couvrant les soupapes de sécurité.

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FONCTIONNEMENT DES SOUPAPES DE SÉCURITÉ

Les soupapes de sécurité utilisées dans l'industrie des services de bâtiment suivent un design qui utilise une force appliquée (un ressort) pour s'opposer directement à la force du système.

Ce design de soupape utilise trois états :

DIMENSIONNEMENT DES SOUPAPES DE SÉCURITÉ

Le dimensionnement des soupapes de sécurité est particulièrement important.

• Les soupapes sous-dimensionnées ne seront pas capables de décharger la capacité maximale à la pression de surpression spécifiée et, par conséquent, la pression du système ne descendra pas mais continuera d'augmenter.
• Les soupapes surdimensionnées n'atteindront pas l'état entièrement ouvert. La pression montante du système pourrait à peine soulever le disque hors du siège, relâchant la pression excédentaire, permettant à la soupape de se fermer. La soupape commence un cycle d'ouverture/fermeture car la décharge de conception n'a pas été atteinte, ce que l'on appelle souvent le 'chattering'.

NABIC dispose d'un programme sophistiqué pour assurer une sélection correcte.

POSITION D'INSTALLATION DES SOUPAPES DE SÉCURITÉ

Les soupapes de sécurité doivent uniquement être installées en position verticale avec la chambre du ressort, c'est-à-dire le couvercle, en position supérieure. Une valve d'isolement entre la soupape de sécurité et le système est strictement prohibée.

L'installation doit éviter :

• Des courses longues de tuyauterie entre la soupape de sécurité et le système
• Des raccords et coudes entre la soupape de sécurité et le système
• Une sortie de soupape de sécurité inversée

ENTRETIEN DES SOUPAPES DE SÉCURITÉ

• Test
  • Une évaluation des risques sur site doit établir un régime de maintenance pour tester la fonction des soupapes de sécurité, nous spécifions que cela devrait être au moins tous les 3 mois.
• Inspection
  • Le design des soupapes de sécurité NABIC permet un examen et un nettoyage internes sans altérer la pression de réglage.
• Recalibrage
  • Une évaluation des risques sur site doit établir une période de recalibrage. Ces dernières années, les compagnies d'assurance et les inspecteurs de chaudières ont insisté pour que les soupapes de sécurité soient recalibrées chaque année.

DÉFAILLANCES SYSTÉMIQUES TYPIQUES

Dans les services de bâtiment, il y a quatre modes de défaillance systémiques typiques qui mettent la sécurité en action :

• Sorties obstruées
• Chaleur externe
  • Tuyauteries externes non isolées chauffées par une source externe, c'est-à-dire le soleil.
• Expansion thermique
  • Défaillance des contrôles de température de la chaudière.
• Défaillance de composants de tuyauterie
  • Défaillance des vannes de contrôle.

TERMINOLOGIE TYPOQUE

Pression de réglage

La norme BS EN ISO indique « La pression à laquelle la soupape est sur le point de s'ouvrir, c'est-à-dire l'état d'équilibre. En pratique, il n'est pas possible de déterminer 'quand la soupape est sur le point de s'ouvrir', seulement quand la soupape est fermée ou vient juste de s'ouvrir. La norme ASME indique « La pression à laquelle la soupape commence à s'ouvrir ». En pratique, cette position est plus facile à établir que la position d'équilibre de la norme BS EN, c'est-à-dire 'sur le point de s'ouvrir'.

Surpression

Une augmentation de pression au-dessus de la pression de réglage, généralement exprimée en pourcentage.

Accumulation

L'augmentation de pression au-dessus de la pression de travail maximale admissible du système pendant la décharge par la soupape de sécurité, exprimée en pourcentage de pression.

Chute de pression

La différence entre la pression de réglage effective et la pression de remise en place effective, exprimée en pourcentage de pression.

Contre-pression

La pression statique existante dans le système de décharge 'émise par' la soupape de sécurité.

Introduction aux Soupapes de Sécurité

Dès que l'humanité a été capable de faire bouillir de l'eau pour créer de la vapeur, la nécessité d'un dispositif de sécurité est devenue évidente. Il y a des milliers d'années, les Chinois utilisaient des chaudrons avec des couvercles articulés pour permettre une production de vapeur (relativement) plus sûre. Au début du 14ème siècle, les chimistes utilisaient des bouchons coniques et plus tard, des ressorts compressés comme dispositifs de sécurité sur des vaisseaux sous pression.

Au début du 19ème siècle, les explosions de chaudières sur des navires et des locomotives résultaient souvent de dispositifs de sécurité défectueux, ce qui a conduit au développement des premières soupapes de décharge de sécurité.

En 1880, Charles Retchie a inventé la chambre d'accumulation, qui augmente la surface de compression au sein de la soupape de sécurité, lui permettant de s'ouvrir rapidement dans une faible marge de surpression.

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Aujourd'hui, la plupart des utilisateurs de vapeur sont contraints par les réglementations locales de santé et de sécurité d'assurer que leurs installations et processus intègrent des dispositifs et précautions de sécurité, garantissant ainsi que les conditions dangereuses sont évitées.

La fonction principale d'une soupape de sécurité est donc de protéger la vie et les biens.

Le type principal de dispositif utilisé pour prévenir la surpression dans une installation est la soupape de sécurité ou soupape de décharge de sécurité. La soupape de sécurité fonctionne en libérant un volume de fluide de l'intérieur de l'installation lorsque la pression maximale prédéterminée est atteinte, réduisant ainsi la pression excessive de manière sécurisée. Étant donné que la soupape de sécurité peut être le seul dispositif restant pour empêcher tout échec catastrophique en cas de conditions de surpression, il est important que tout dispositif de ce type soit capable de fonctionner à tout moment et dans toutes les conditions possibles.

Les soupapes de sécurité doivent être installées partout où la pression de travail maximale autorisée (MAWP) d'un système ou d'un vaisseau à pression est susceptible d'être dépassée. Dans les systèmes de vapeur, les soupapes de sécurité sont généralement utilisées pour la protection contre la surpression des chaudières et d'autres applications comme en aval des contrôles de réduction de pression. Bien que leur rôle principal soit la sécurité, les soupapes de sécurité sont également utilisées dans les opérations de processus pour prévenir les dommages aux produits dus à une pression excessive. L'excès de pression peut être généré dans différentes situations, notamment :

• Un déséquilibre du débit de fluide causé par la fermeture ou l'ouverture involontaire de vannes d'isolement sur un vaisseau de process.
• Une défaillance d'un système de refroidissement, ce qui permet à la vapeur ou au fluide de s'étendre.
• Une défaillance de l'air comprimé ou de l'alimentation électrique pour contrôler l'instrumentation.
• Des surpresseurs transitoires.
• Exposition à des incendies d'installation.
• Échec des tubes d'échangeurs de chaleur.
• Réactions exothermiques incontrôlables dans des installations chimiques.
• Changements de température ambiante.

Les termes « soupape de sécurité » et « soupape de décharge de sécurité » sont des termes génériques pour décrire de nombreuses variétés de dispositifs de décharge de pression conçus pour prévenir l'accumulation excessive de pression interne du fluide. Une large gamme de différentes soupapes est disponible pour de nombreuses applications et critères de performance différents.

De plus, différentes conceptions sont nécessaires pour répondre aux nombreuses normes nationales qui régissent l'utilisation des soupapes de sécurité.

Une liste des normes nationales pertinentes peut être trouvée à la fin de ce module.

Dans la plupart des normes nationales, des définitions spécifiques sont données pour les termes associés aux soupapes de sécurité et de décharge de sécurité. Il existe plusieurs différences notables entre la terminologie utilisée aux États-Unis et en Europe. Une des différences les plus importantes est qu'une soupape appelée « soupape de sécurité » en Europe est appelée « soupape de décharge de sécurité » ou « soupape de pression » aux États-Unis. De plus, le terme « soupape de sécurité » aux États-Unis fait généralement référence spécifiquement au type de soupape de sécurité à levée totale utilisé en Europe.

Les normes ASME/ANSI PTC25.3 applicables aux États-Unis définissent les termes génériques suivants :

• Soupape de décharge de pression - Une soupape de décharge de pression à ressort conçue pour s'ouvrir afin de libérer la pression excessive et de se refermer pour empêcher le flux supplémentaire de fluide après restauration des conditions normales. Elle se caractérise par une action d'ouverture rapide ou par une ouverture d'une manière généralement proportionnelle à l'augmentation de pression au-dessus de la pression d'ouverture. Elle peut être utilisée pour des fluides compressibles ou incompressibles, selon la conception, le réglage ou l'application.

C'est un terme général qui inclut les soupapes de sécurité, les soupapes de décharge et les soupapes de décharge de sécurité.

• Soupape de sécurité - Une soupape de décharge de pression actionnée par la pression statique d'entrée et caractérisée par une ouverture rapide ou une action de "pop".

Les soupapes de sécurité sont principalement utilisées avec des gaz compressibles, en particulier pour des services de vapeur et d'air. Cependant, elles peuvent également être utilisées pour des applications de type process où elles peuvent être nécessaires pour protéger l'installation ou pour prévenir la détérioration du produit traité.

• Soupape de décharge - Un dispositif de décharge de pression actionné par la pression statique d'entrée ayant une levée progressive généralement proportionnelle à l'augmentation de pression au-dessus de la pression d'ouverture.

Les soupapes de décharge sont couramment utilisées dans les systèmes liquides, en particulier pour les capacitaires plus faibles et pour les services d'expansion thermique. Elles peuvent également être utilisées sur des systèmes à pression pompée comme dispositifs de débordement de pression.

• Soupape de décharge de sécurité - Une soupape de décharge de pression caractérisée par une ouverture rapide ou une action de "pop", ou par une ouverture proportionnelle à l'augmentation de pression au-dessus de la pression d'ouverture, selon l'application, et qui peut être utilisée soit pour un liquide, soit pour un fluide compressible.

En général, la soupape de décharge de sécurité agira comme une soupape de sécurité lorsqu'elle est utilisée dans un système de gaz compressible, mais elle s'ouvrira en proportion de la surpression lorsqu'elle est utilisée dans des systèmes liquides, comme le ferait une soupape de décharge.

La norme européenne EN ISO 4126-1 fournit la définition suivante :

• Soupape de sécurité - Une soupape qui décharge automatiquement, sans l'assistance d'une énergie autre que celle du fluide concerné, une quantité de fluide afin d'éviter qu'une pression sûre prédéterminée soit dépassée, et qui est conçue pour se refermer et empêcher tout flux supplémentaire de fluide après que les conditions de pression normales de service aient été restaurées.

Des exemples typiques de soupapes de sécurité utilisées dans les systèmes de vapeur sont présentés dans la Figure 9.1.1.

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