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Aug 25, 2023

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

Un phénomène appelé coup de bélier peut conduire à des scénarios dangereux comme l'effondrement

Un phénomène appelé coup de bélier peut entraîner des scénarios dangereux tels que l'effondrement de tuyaux et la chute de tuyaux de leurs supports. Un coup de bélier se produit lorsque de grandes ou de petites surpressions traversent rapidement un système de tuyauterie. Non seulement cela semble terrible, mais cela peut être incroyablement destructeur. Le coup de bélier est le processus que subit un système de tuyauterie lorsqu'il passe d'un fonctionnement en régime permanent à un autre. Il est présent dans tous les systèmes de tuyauterie et ne se limite pas aux seuls systèmes d'eau. Un coup de bélier peut être causé par des changements opérationnels planifiés, ainsi que par des perturbations soudaines et imprévues.

Parfois, les utilisateurs affirment qu'ils n'ont pas de coups de bélier dans leur système, ce qui n'est pas vrai. Même lors du démarrage d'une pompe, des coups de bélier sont introduits dans le système. Ce qui cause le coup de bélier et à quel point il peut être grave, c'est ce qui doit être déterminé.

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

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

b) Les sources de pression à prendre en considération comprennent les influences ambiantes, les oscillations et les surpressions de pression, le fonctionnement incorrect, la décomposition de fluides instables, la charge statique et la défaillance des dispositifs de contrôle.

c) Les indemnités de l'al. 302.2.4(f) sont autorisés, à condition que les autres exigences de l'al. 302.2.4 sont également remplies.

Cela nécessite que la conception des systèmes tienne compte des pressions élevées. D'autres sections traitent des variations de pression occasionnelles et de ce qui peut être autorisé. ASME B31.4 pour "Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids" traite également des pressions de conception internes et mentionne "l'augmentation de la pression au-dessus de la pression de fonctionnement maximale à l'état stable due aux surtensions et autres variations par rapport aux opérations normales est autorisée conformément au paragraphe 402.2.4." À l'article 402.2.4, il est stipulé : « Des calculs de surtension doivent être effectués, et des commandes et des équipements de protection adéquats doivent être fournis afin que le niveau d'augmentation de pression due aux surtensions et autres variations par rapport aux opérations normales ne dépasse pas la pression de conception interne en tout point du système de tuyauterie et de l'équipement de plus de 10 %. »

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

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

Des exemples de cas où cela peut se produire sont s'il y a une cavitation transitoire présente dans un système ou un garnissage de ligne. Cela étant dit, l'exemple de fermeture rapide de vanne est un excellent moyen de comprendre les coups de bélier. Diverses méthodes sont disponibles pour quantifier la réponse de pression lors d'un coup de bélier, et ces calculs peuvent être compliqués et ardus. Une méthode est la méthode des caractéristiques qui résout les équations d'équilibre de masse et de quantité de mouvement transitoires dans une approche de grille caractéristique.4 L'application de ces calculs à un exemple de fermeture de vanne pour déterminer comment la surpression au niveau de la vanne change avec le temps n'est pas trop difficile. Le défi est que la littérature montre souvent un exemple de fermeture de vanne rapide dans le contexte d'un seul trajet d'écoulement de tuyau droit avec de l'eau et fournit rarement des conseils ou démontre des calculs pour un système plus complexe avec plusieurs trajets d'écoulement, pompes, dispositifs de suppression des surtensions, etc.

Il est possible de créer une feuille de calcul à l'aide de la méthode des caractéristiques pour résoudre les changements de pression et de débit dans un système de tuyauterie plus complexe, multibranche ou en boucle. Cependant, la feuille de calcul serait volumineuse et peu pratique. Le logiciel d'analyse des coups de bélier est un outil utile qui peut aider à effectuer une analyse des coups de bélier pour des systèmes simples ou compliqués sans nécessiter une étude doctorale en théorie des coups de bélier. Les logiciels d'analyse des coups de bélier adoptent souvent une approche unidimensionnelle pour résoudre le système de débits transitoires, de pressions, de vitesses, etc. Cela peut aider les ingénieurs à mieux comprendre pour déterminer la cause première des problèmes existants ou des accidents liés aux coups de bélier, ou pour des approches préventives des nouvelles conceptions ou des changements opérationnels.

Considérons un modèle d'analyse des coups de bélier pour l'usine de gaz naturel liquéfié (GNL) de l'image 1. Cette usine était en cours d'agrandissement et disposait initialement de trois pompes fonctionnant en parallèle. L'expansion apporterait deux pompes supplémentaires avec une troisième servant de réserve. Notez qu'il existe deux ensembles de pompes avec leur propre colonne montante reliée à un collecteur principal. Le débit se divise plus tard et conduit à deux vannes de décharge séparées. Les conduites de tuyau surlignées en bleu sont des tronçons où des charges de force transitoires sont requises pour l'analyse des contraintes de tuyau. Le tronçon de tuyau surligné en vert est un chemin d'écoulement continu unique de la pompe P-101C à la vanne LV-1564A2.

L'analyse des coups de bélier ne se limite pas à vérifier la pression au niveau d'une vanne de fermeture. Les ondes de pression transitoires se propagent à travers un système de tuyauterie à plusieurs milliers de pieds par seconde et les modèles d'ondes peuvent avoir des interférences qui peuvent entraîner des effets désastreux. Il est compréhensible que les tuyaux puissent se rompre lors de pics de haute pression, mais les basses pressions peuvent être tout aussi problématiques. Si des pressions sous-atmosphériques sont présentes, cela peut provoquer l'effondrement des tuyaux. Si une cavitation transitoire se produit là où la pression a atteint la pression de vapeur, de grandes pointes de pression peuvent se produire, ce qui ressemble à un gros ballon qui éclate à l'intérieur d'un tuyau. Cela peut notamment être le cas avec une installation de GNL en raison d'une pression de vapeur qui n'est pas aussi faible que celle de l'eau.

Avec la tâche d'effectuer une analyse des coups de bélier pour l'expansion de cette installation, il est important de comprendre quels seraient les impacts des coups de bélier sur le système existant. Un scénario qui peut être modélisé est l'exemple classique de fermeture de vanne. Dans l'image 1, les deux vannes de décharge à la sortie du système se fermeront dans les trois secondes avec un profil de fermeture de vanne linéaire. Les fermetures rapides des vannes provoquent des pointes de pression importantes. Une étude de coup de bélier peut impliquer plusieurs scénarios où les vannes sont fermées à des vitesses différentes pour voir à quelle vitesse est trop rapide et à quel point est assez lente. Les fermetures de vannes linéaires sont souvent supposées, et généralement la fermeture d'une vanne sur de plus longues périodes peut aider à atténuer les surpressions de coup de bélier observées. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Parfois, avec des types de vannes spécifiques, le changement de pression et de débit dans le système peut ne pas être visible avant les derniers pourcents de fermeture. Par conséquent, la fermeture des vannes sur de longues périodes de temps peut ne pas toujours aider.

La caractéristique de la vanne est également importante à prendre en compte car la façon dont la vanne est fermée peut avoir un impact plus important sur la réduction de la surpression que la durée de fermeture de la vanne. Par exemple, Swaffield & Boldy recommande sur un temps donné de fermeture de la vanne, si 80 % de la fermeture de la vanne est accomplie dans les 20 premiers % du temps qu'il faut pour fermer la vanne, puis les 20 % restants de la fermeture de la vanne sur les 80 % restants du temps restant pour la fermeture de la vanne, la surpression résultante peut être réduite.5 Un exemple dans l'image 2 compare deux taux de fermeture de vanne différents pour un pipeline de transfert d'ammoniac navire-terre. Le circuit d'écoulement supérieur de l'image 2 utilise une fermeture de vanne linéaire en deux secondes, tandis que le circuit d'écoulement inférieur utilise également une fermeture de vanne en deux secondes, mais utilise le profil de fermeture 80/20 recommandé par Swaffield & Boldy.

Comme le montre l'image 2, la ligne directrice 80/20 réduit la surpression transitoire lors de la fermeture de la vanne par rapport au cas avec le même temps de fermeture avec un profil de fermeture linéaire. Cela montre que le profil dans lequel une vanne est fermée fait également une différence dans la réduction de la pression des coups de bélier, tout comme la fermeture des vannes sur de plus longues périodes. Sinon, le profil a plus d'impact. Ainsi, toute une étude d'analyse des coups de bélier peut être consacrée à la détermination des temps et des profils de fermeture de vanne appropriés qui peuvent aider les systèmes de contrôle à prévenir les problèmes.

Les paramètres importants à évaluer incluent les pressions minimale et maximale dans le système et leur comparaison avec la pression de fonctionnement maximale autorisée. D'autres éléments à évaluer incluent la présence possible de formation de vapeur s'il y a de la cavitation dans le système, les performances transitoires des composants tels que la façon dont la vitesse d'une pompe peut changer en cas de déclenchement de la pompe, la façon dont la pression d'aspiration et de refoulement et le débit peuvent changer à travers une pompe pendant un événement transitoire, comment une décharge peut cycler pendant une situation de surtension, etc.

Les images 3 et 4 fournissent le profil de pression maximum et minimum pour le chemin d'écoulement mis en évidence en vert à partir du système dans l'image 1. L'image 3 contient les résultats pour le scénario de pré-expansion et l'image 3 fournit les résultats du scénario de post-expansion. Dans les deux graphiques des images 3 et 4, la ligne verte du tracé correspond à la pression le long du trajet d'écoulement au moment exact où les vannes se ferment à trois secondes.

La pression transitoire le long du trajet d'écoulement à trois secondes représentée par la ligne verte dans les tracés des images 3 et 4 est similaire. Les résultats pour le scénario post-expansion avec des pompes supplémentaires en fonctionnement sont similaires aux résultats de pré-expansion. En comparant les profils de pression maximale dans les images 3 et 4, le scénario de post-expansion entraîne des pressions transitoires plus élevées. Cela s'explique par le tassement des conduites et l'augmentation du débit dans le système, car les pompes fonctionnent toujours. Ceci est un autre exemple où les pressions transitoires peuvent être supérieures à la prédiction de l'équation de Joukowsky. L'image 5 montre plus clairement des résultats similaires avec les pressions transitoires à l'entrée des vannes de fermeture au fil du temps. Les pressions de post-expansion à l'entrée de la vanne sont plus élevées que les scénarios de pré-expansion mais restent similaires.

En examinant les branches de force de conduite en bleu (image 1), les branches de force qui ont les charges de force transitoires les plus élevées dans les deux scénarios se produisent dans les branches de force 3 et 6. La charge de force la plus importante peut se produire au niveau de la vanne qui se ferme, mais ce n'est pas toujours le cas. De nombreux effets hydrauliques ont un impact sur les charges de force transitoires et la simple multiplication de la pression par la surface à un emplacement ne fournit pas les valeurs de force correctes. Le logiciel d'analyse des coups de bélier considère intrinsèquement les effets de frottement et les effets de moment et les inclut facilement dans les calculs de charge de force.6 Comme indiqué, il n'est pas facile de supposer dans quelle branche de force les forces transitoires les plus importantes se produiront. De plus, les forces les plus importantes peuvent ne pas toujours se produire lorsqu'une vanne se ferme et peuvent se produire plus tard dans la simulation. Cela peut être dû à la façon dont les ondes de pression interfèrent les unes avec les autres dans un système complexe comme dans l'image 1.

La bonne nouvelle pour l'usine de GNL de l'image 1 est que l'expansion n'a pas entraîné de pressions transitoires supérieures à la pression maximale admissible du système ni de charges de force transitoires plus élevées. La vitesse d'onde dans ce système est d'environ la moitié de la vitesse d'onde typique. Si un fluide différent se trouvait dans ce système, les résultats pourraient être plus désastreux et si le système n'avait pas été soigneusement analysé auparavant, y compris les calculs de force, cela pourrait facilement révéler un tout nouvel ensemble de problèmes. En outre, de nombreux autres scénarios doivent également être évalués, tels que les scénarios de démarrage de pompe, les scénarios de déclenchement de pompe où soit toutes les pompes se déclenchent ensemble, soit une pompe se déclenche toute seule, ce qui peut entraîner un événement de claquement important du clapet anti-retour, etc.

Les références

Codes concernant les coups de bélier : ASME B31.3 ET B31.4, waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4

"Coup de bélier : quoi et pourquoi ?", pumpsandsystems.com/water-hammer-what-why

"Quand l'équation de Joukowsky ne prédit pas les pressions maximales des coups de bélier", aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressures.pdf

"Fluid Transients In Systems", E. Benjamin Wylie & Victor L. Streeter, 1ère édition, 1993

"Surpression dans les systèmes de tuyaux et de conduits", JA Swaffield et Adrian P. Boldy, 1993

"Évaluation des charges dynamiques dans les systèmes de tuyauterie causées par les coups de bélier", J. Wilcox et T. Walters, 2012, aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer

Ben Keizer est consultant technico-commercial pour Applied Flow Technology (AFT). Keizer est titulaire d'un baccalauréat en génie chimique de la Colorado School of Mines. Keiser peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, rendez-vous sur www.aft.com.