A3 RISQUES LIÉS AUX PRODUITS

Sécurité dans les Opérations

RISQUES LIÉS AUX PRODUITS DANGERS LIÉS AU COMPORTEMENT DES FLUIDES

A3

I - PRESSION RÉGNANT DANS UNE CAPACITÉ ....................................................................... 1 1 - Capacité pleine de gaz .................................................................................................................1 2 - Capacité contenant une phase liquide et une phase vapeur ....................................................... 1 3 - Capacité pleine de liquide ............................................................................................................ 4

II - CONSÉQUENCES D’UN APPORT OU D’UN RETRAIT DE CHALEUR À UN CORPS ........... 5 1 - Apport de chaleur .........................................................................................................................5 2 - Retrait de chaleur .......................................................................................................................13 3 - Vaporisation d’un liquide par détente .........................................................................................15

III - COUPS DE BÉLIER ................................................................................................................ 19 1 - Description du phénomène ........................................................................................................ 19 2 - Effets de coups de bélier et prévention...................................................................................... 21

ANNEXES Courbes de tension de vapeur de quelques hydrocarbures ..................................................................23 Courbe de tension de vapeur de l’eau...................................................................................................24 Courbes de tension de vapeur de quelques composés chimiques ....................................................... 25 Variation de la densité de quelques liquides avec la température ........................................................ 26

SE PRO - 00549_A_F - Rév. 4

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21/03/2005

1

I-

A3

PRESSION RÉGNANT DANS UNE CAPACITÉ 1-

CAPACITÉ PLEINE DE GAZ PRESSION = CHOCS DES MOLÉCULES

Un gaz est constitué de molécules qui peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres et qui sont soumises à une agitation incessante et désordonnée.

t

D MEQ 3008 A

Ces molécules sont toutes identiques dans le cas d'un corps pur et elles sont de plusieurs espèces dans le cas d'un mélange.

Pression dans une capacité pleine de gaz L'agitation des molécules provoque de multiples chocs contre les parois. Les forces pressantes qui en résultent s'appliquent sur toute la surface interne du ballon et créent donc une pression. Cette pression exercée par le gaz dépend du nombre de chocs par unité de surface (Pression = Force/Surface) et est donc fonction : – du nombre de molécules de gaz, c'est-à-dire de la quantité de gaz enfermée dans le ballon – de la surface offerte aux chocs, c'est-à-dire des dimensions du ballon ou appareillage contenant le gaz –- de l'agitation des molécules qui augmente avec la température

2-

CAPACITÉ CONTENANT UNE PHASE LIQUIDE ET UNE PHASE VAPEUR Quand dans un équipement quelconque, non relié à l’atmosphère, il y a coexistence et contact de deux phases liquide et vapeur à la même température et à la même pression, on dit que les deux phases sont à l’équilibre liquide-vapeur. a - Corps pur Pour un corps pur donné, la présence simultanée de ces deux phases suppose des conditions telles que leur point représentatif dans le diagramme pression-température soit sur la courbe de tension de vapeur de ce corps pur. La pression absolue, dans l'équipement, est la tension de vapeur du corps pur à la température de stockage. PRESSION = TENSION DE VAPEUR DU CORPS PUR

D MEQ 3008 B

t

Pression dans une capacité contenant une phase liquide et une phase vapeur 00549_A_F

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2

A3

En effet chaque corps pur possède une courbe de tension de vapeur qui délimite, dans le diagramme pression-température, deux zones comme représenté ci-dessous. - une zone liquide à gauche de la courbe (conditions P1 et t1 par exemple) - une zone vapeur à droite de la courbe (conditions P 2 et t2 par exemple)

COURBE DE TENSION DE VAPEUR

Pression

Etat LIQUIDE

Etat VAPEUR V

P2 P3 L+

V D TH 009 D

L

P1

Température

t1

t3

t2

Courbe de tension de vapeur Sur la courbe elle-même (conditions P3 et t3 par exemple) il y a coexistence des deux phases liquide et vapeur Les planches en annexe présentent les courbes de tension de vapeur de quelques corps purs. À titre d’exemple on a représenté ci-dessous une sphère contenant du propane liquide et gazeux à la température de 20°C. Courbe de tension de vapeur du propane

P

P

20°C Propane liquide

TV20 C3

t

D SEC 009 A

Propane gazeux

20°C

Pression dans une sphère de propane La condition d’équilibre liquide-vapeur étant réalisée, puisqu’il y a coexistence des deux phases, la 20

pression P régnant dans le ballon est la tension de vapeur du propane à 20°C, que l’on note TVC . 3

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3

A3

L’abaque en annexe permet d’en lire la valeur : 20

P = TVC = 8,2 atm 3 La courbe de tension de vapeur d’un corps pur permet donc de connaître la pression régnant dans une capacité contenant ce corps à l’équilibre liquide-vapeur, à une température connue et ceci quel que soit le niveau de liquide. b - Mélange Si l'on considère un ballon dans lequel un mélange est à l'équilibre liquide-vapeur, la pression P régnant dans le ballon est appelée tension de vapeur du liquide à la température considérée.

PRESSION = TENSION DE VAPEUR DU MÉLANGE

D MEQ 3008 C

t

Pression dans une capacité contenant un mélange à l'équilibre liquide-vapeur Dans un tel ballon, une augmentation de température provoque la vaporisation partielle immédiate du liquide; on dit que celui-ci est à son point de bulle. Par contre, une diminution de température provoque la condensation partielle immédiate de la vapeur, on dit que celle-ci est à son point de rosée.

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4

3-

A3

CAPACITÉ PLEINE DE LIQUIDE La pression n’est pas une propriété du liquide mais dépend de la machine qui a généré la pression (en général une pompe), des systèmes de régulation de pression et des systèmes de protection dont est équipée la capacité.

(F - 2) V1

P

P

V2

V2

(F - 2)

En service

(F - 1)

En service

V1 fermé en premier V2 fermé en second

V2 fermé en premier V1 fermé en second

P = Presse de refoulement de la pompe à débit nul

P = Pression Atmosphérique

Pression dans une capacité pleine de liquide

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D CH 3001 A

(F - 1) V1

5

II -

A3

CONSÉQUENCES D'UN APPORT OU D'UN RETRAIT DE CHALEUR A UN CORPS 1-

APPORT DE CHALEUR Un apport de chaleur à un corps peut avoir les deux conséquences suivantes : - augmenter la température du corps sans changement d'état physique, mais entraîner une dilatation - provoquer la changement d'état physique du corps, ce qui signifie vaporisation pour un liquide a - Apport de chaleur sans changement d'état • Capacité pleine de gaz La pression augmente. Elle varie approximativement comme la température absolue du gaz qui est mesurée en Kelvin (K = ° C + 273). Les risques encourus sont faibles. • Capacité pleine de liquide Tout liquide tend à se dilater quand la température augmente; il y a une expansion thermique. Cette caractéristique entraîne des risques car l'élévation de température d'un liquide emprisonné dans un récipient peut par expansion thermique entraîner des surpressions considérables capables de rompre tous les équipements non protégés, ce liquide étant incompressible. Dans le cas d'un ballon en acier plein d'eau à 20°C, une élévation de température de 30°C entraîne une pression de l'ordre de 180 bars, soit en moyenne 6 bars/°C d'élévation de température. Aux températures plus élevées le gradient d'élévation de pression est encore plus grand car la dilatation de l'eau est plus élevée. Ceci est illustré par le schéma ci-dessous :

175

0

490

960

20°C

50°C

75°C

Évolution de la pression dans une capacité pleine d’eau liquide

00549_A_F

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105°C

D SEC 012 A

bar rel

6

A3

Le graphique ci-dessous montre dans un récipient plein de gaz liquéfiés, sans phase gazeuse, l’élévation de pression approximative en fonction de l’élévation de température, en négligeant les variations de volume du récipient.

Pression (bar rel) 80 70 60 50 40 30 20

Élévation de température

(°C) 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D SEC 013 A

10

Évaluation de la pression dans une capacité pleine de gaz liquéfiés

S’il existe un “ciel gazeux” au-dessus du liquide, lors de l’élévation de température, cette phase vapeur est d’abord comprimée et la pression à l’intérieur du réservoir s’élève plus lentement. Mais lorsque le liquide a occupé, après dilatation, tout le volume du récipient, la pression croît de nouveau brutalement. Ces risques peuvent apparaître en particulier dans une capacité isolée (telle que sphère, camionciterne, wagon-citerne, ballon, bouteille d’échantillons, …) par élévation de la température ambiante. On ne doit donc jamais remplir une capacité afin qu'il subsiste un ciel gazeux permettant la libre dilatation du liquide par élévation de température. La température maximale de référence pour des conditions normales de stockage en France est de 50°C. Elle est prise à 40°C si l’équipement est muni d’un pare-soleil (exemple : wagon et camion-citerne). Compte tenu de ce qui précède la règle couramment utilisée est qu'il subsiste un ciel gazeux au moins égal à 3 % du volume total du récipient quand le liquide est à 50°C. La quantité maximale du produit que peut contenir un réservoir se calcule donc en masse.

00549_A_F

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7

A3

Application : Quelle est la quantité maximale de propane pur à 20°C que l’on peut introduire dans une sphère de 1000 m3 ? Volume total de la sphère : Ciel gazeux minimal à 50°C : Volume liquide maximal à 50°C : Masse volumique du propane à 50°C : 445 kg/m3 Masse maximale de propane stocké : Masse volumique du propane à 20°C : 500 kg/m3 Volume maximal de propane à 20°C :

15 %

3%

15°C

50°C GPL commerciaux

D SEC 019 D

Il en est ainsi pour une bouteille de propane ou de butane commercial qui nouvellement remplie à un ciel gazeux de 15 % à 15°C environ. Celui-ci subsiste à 50°C (3 % minimum).

Surveiller les niveaux : dans les sphères en particulier, se souvenir que le volume n’est pas proportionnel au niveau. Attention aux capacités laissées pleines après les épreuves hydrauliques. Ces risques concernent aussi une tuyauterie isolée. L’augmentation de température du produit par la soleil peut entraîner des ruptures de joints et/ou même de la tuyauterie, ou tout au moins empêcher l’ouverture de robinet-vanne à opercule.

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A3

8

Il faut prendre l’une des précautions suivantes : - laisser décollée une vanne vers une capacité - si des soupapes d’expansion thermique sont prévues, veiller à ce qu’elles ne soient pas isolées

DN 25 (1")

O DN 20(3/4")

F

F

D SEC 014 A

BAC

Vanne cadenassée ouverte (CO)

D MEQ 3009 A

Soupape d'expansion thermique sur bac de stockage

Soupape d'expansion thermique sur transfert de liquide

00549_A_F

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A3

9

Application : Calculer la quantité de propane pur évacuée par une soupape d’expansion thermique placée sur une ligne isolée soumise à une élévation de température. Avec : - ligne : longueur 100 m diamètre nominal 4” (DN 100) section de passage : 82,1 cm2 - température initiale : 20°C - température finale : 40°C

– sur les échangeurs, s'il n'existe pas de soupape d'expansion thermique : ne jamais isoler le fluide froid si le fluide chaud est en service.

Fluide chaud

Fluide froid

Précaution d'exploitation sur un échangeur

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D MTE 1041 B

NE JAMAIS ISOLER LE FLUIDE FROID, SI LE FLUIDE CHAUD EST EN SERVICE

A3

10

•

Capacité à l’équilibre liquide-vapeur

Tant qu’il subsiste un ciel gazeux, la pression augmente avec élévation de température conformément à la courbe de tension de vapeur du corps concerné. L’exemple ci-dessous permet d’observer l’augmentation de pression avec la température dans une sphère de pur.

bar rel.

50°C

D SEC 015 A

20 °C

bar rel.

Les pressions qui en découlent sont moins importantes que dans le cas précédent et n’engendrent généralement pas de risques particuliers. Néanmoins il faut tenir compte de cette propriété physique lors de toute opération inhabituelle : détournement de produit, démarrage, conditions climatiques inhabituelles, … b - Apport de chaleur avec changement d'état La vaporisation du liquide s'accompagne : - d'une consommation d'énergie appelée chaleur latente de vaporisation - d'une augmentation très importante de volume Dans le cas de l'eau : à 100°C et à la pression atmosphérique, l'eau donne un volume de vapeur environ 1600 fois plus grand que son volume à l'état liquide. Aussi l'eau qui entre accidentellement dans une installation, si elle est vaporisée par un produit chaud, peut occasionner une rupture de l'installation. On comprend donc que les surpressions puissent se produire dans des équipements lors de la vaporisation de quantité même faible d'eau si le volume offert à la vapeur n'est pas suffisant. Le risque de surpression augmente bien entendu avec la température. Il peut y avoir destruction de l'équipement intérieur et même éclatement.

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A3

11

Ainsi dans un bac de stockage : - lors de la rupture d’un serpentin dans un bac de stockage de produits réchauffés, on se trouve en présence d’un débordement avec moussage (FROTH-OVER). C’est la mise en ébullition d’eau dans un produit chaud, non en feu

T > 100°C

D SEC 016 A

VAPEUR PV

CONDENSAT

- lors d’un feu dans le réservoir on peut rencontrer : • une émulsion en surface avec débordement par présence d’eau provenant de l’arrosage ou de la mousse (SLOP OVER) • une vaporisation dans la masse (BOIL OVER) provoquée par le produit qui, en brûlant, crée une onde de chaleur qui se déplace vers le fond du réservoir et provoque l’ébullition de l’eau libre située en fond de bac

Fractions lourdes coulant

Eau libre ou en émulsion Phénomène de boil-over 00549_A_F

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D SEC 3000 A

Ondes de chaleur

Fractions légères distillantes Fractions légères remontant

A3

12

D SEC 018 A

Le produit enflammé, projeté dans les airs, génère une véritable boule de feu.

Rupture d’un bac de stockage lors d'un boil-over (toit sans soudure frangible) En opération, les précautions suivantes sont à prendre : – contrôle de l'absence d’eau dans les coulages vers les bacs de stockage traitant des produits chauds non aqueux – purge en point bas dans les tuyauteries et les capacités de stockage où peut s’accumuler de l’eau – drainage complet de l’eau résiduelle après des épreuves d’étanchéité hydraulique avant tout démarrage des unités à risques – vérification de l’absence d’eau dans les réservoirs de vidange (fût, “tonne à vide”, …) avant l’admission de produit chaud – vérification du bon fonctionnement des purgeurs sur les lignes de vapeur d’eau pour éviter les "marteaux d'eau". Vapeur

Condensats

D SEC 021 A

PV

– pas d’utilisation de la vapeur d’eau dans les serpentins de réchauffage de réservoir de stockage contenant des produits stockés à une température supérieure à 80-90°C. 00549_A_F

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A3

13

2-

RETRAIT DE CHALEUR Un retrait de chaleur a les conséquences inverses : – diminution de la température du corps sans changement d’état physique avec contraction par augmentation de la masse volumique – changement d’état physique, ce qui signifie : • condensation pour une vapeur • solidification pour un liquide Dans les deux cas, une mise sous vide est à craindre si la capacité considérée est isolée. Elle sera néanmoins bien plus importante lors de condensation de vapeur. Il peut y avoir déformation et même “implosion” du matériel. Les exemples ci-dessous illustrent ce risque.

F

F

retrait de 120

chaleur

50

°C

°C eau

F

F

D SEC 030 A

Mise sous vide d'un récipient sous pression

Mise sous vide d’un bac de stockage 00549_A_F

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A3

14

Les accidents les plus fréquents sur les équipements isolés se produisent lors de refroidissement inopinés (pluie, baisse de la température extérieure, …) : -

par condensation de la vapeur d’eau lors de manœuvre de dégazage ou de désaération par condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air (bac de stockage, silos, …) pendant le transport de produits chauds

Les précautions nécessaires sont les suivantes : - mettre les évents et les purges à l’air libre s’il n’y a pas de risque de mélange explosif, et vérifier qu’ils ne sont pas bouchés - maintenir une légère surpression par : • l’addition d’un corps pur léger (exemple : propane dans butane) • du gaz inerte • du gaz de chauffe - vérifier le bon fonctionnement des soupapes de respiration double effet sur les bacs de stockage Les risque existe aussi dans une capacité contenant un corps à l’équilibre liquide-vapeur. En effet, selon la température certains corps ont une tension de vapeur inférieure à la pression atmosphérique. Dans le cas du n-butane pur, ceci est illustré par l’exemple dessous :

Bar rel.

Bar rel.

20 °C n. Butane à l'équilibre

D SEC 1223 B

n. Butane gazeux

0 °C

Évolution de la pression dans un wagon-citerne de butane

Par temps froid pour éviter la mise sous vide, il peut être nécessaire de pressuriser les capacités (sphère, wagons-réservoirs, habituellement en pression).

00549_A_F

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A3

15

3-

VAPORISATION D’UN LIQUIDE PAR DÉTENTE a - Risques de givrage Lors d’une vaporisation par baisse de pression dans une vanne, il n’y a pratiquement pas d’échange thermique avec le milieu ambiant. La chaleur latente nécessaire à la vaporisation du liquide est prise au liquide lui-même. La baisse de température qui en découle amène en présence d’humidité, un givrage au point de détente et peut créer des blocages par le gel de l’eau ou par la formation d’hydrates. Lors d’une prise d’échantillon de gaz liquéfiés pour permettre en cas d’incidents chaque vanne soit manœuvrable :

2 D SEC 024 A

1

• ouvrir dans l’ordre, les robinets 1 puis 2 • lorsque la prise est terminée, fermer 2 puis 1 • décomprimer le flexible en ouvrant 3 • décomprimer la ligne entre 1 et 2 en ouvrant 2, puis fermer 2

3

Ceci est bien entendu aussi valable pôur une purge de gaz liquéfiés. b - Formation d’hydrates • Hydrates d'hydrocarbures Les hydrates sont des structures cristallines qui peuvent se former lorsqu’on met des hydrocarbures et de l’eau en présence dans certaines conditions. Il est admis que les hydrates sont des inclusions de molécules de gaz dans les espaces laissés libres dans un réseau cristallin de molécules d’eau avec de faibles liaisons chimiques entre le gaz et l’eau. Deux types d’hydrates ont été mis en évidence :

H

H

H

Molécules d'Hydrocarbures

D CH 3000 A

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Réseau cristallin de molécules d'eau

Exemple de structure cristalline d'un hydrate (propane)

00549_A_F

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A3

16

-

le premier intéressant les molécules de faibles tailles (méthane, éthane, éthylène) avec pour formules : 7,6 H 2 O 7,6 H 2 O

• CH4 • C2H6

- le second relatif aux molécules plus grosses (propylène, propane, isobutane) comportant 17 molécules d’eau Les tailles des molécules au-delà du n-butane sont trop importantes pour permettre la pénétration dans une cavité du réseau cristallin de sorte que les homologues supérieurs au butane ne peuvent donner lieu à des formations d’hydrates. Les hydrates sont des solides de couleur blanche qui peuvent revêtir différents aspects (neige, givre, cristaux ou arborescences) et dont la densité est d’environ 0,98. Les températures de formation des hydrates dépendent de la pression et de l’hydrocarbure concerné et peuvent être largement situées au-dessus de 0°C. Le diagramme ci-dessous représente les domaines de formation d’hydrates ou d’eau libre pour quelques hydrocarbures : 100 90 80 70

Méthane

atm

60 50

Éthane

40 30

20

Pression

10 9 8 7

Eau liquide + HC liquide

ane

Prop

6

ZONE DE FORMATION D'HYDRATES

5 4 3

tane

Isobu

Eau liquide + vapeur d'HC

ane Eau solide + vapeur d'HC

n-but 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 -5

°C 0

5

10

15

20

30

Température (°C)

0°C

Domaine de formation des hydrates 00549_A_F

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Température

D TH 008 B

2

A3

17

Ces températures n’ont bien entendu aucun rapport avec les températures de solidification des hydrocarbures résumées dans le tableau ci-dessous.

Constituants

Température de solidification (°C)

Méthane

– 182,5

Éthane

– 183

Propane

– 187

Isobutane

– 159,4

Éthylène

– 169,4

Propylène

– 185,4

Lorsque l'hydrate se décompose, il y a libération du gaz contenu dans le réseau cristallin. Ex : 164 cm 3 de méthane gazeux par cm3 d'hydrate solide. • Autres hydrates Il peut y avoir formation d'hydrates avec d'autres gaz tels que le gaz carbonique, l'hydrogène sulfuré, le chlore, le brome.

Gaz

Hydrate / Formule

Couleur

CO 2

CO 2 / 7,6 H2O

Blanchâtre

H 2S

H 2S / 5,07 H2O

Jaunâtre

Cl 2

Cl 2 / 5,75 H2O

Légèrement coloré

Br2

Br2 / 10 H2O

Rougeâtre

• Risques liés aux hydrates Les hydrates occupent un volume important étant donné leur faible masse volumique. Ils sont capables de boucher en partie ou en totalité les équipements tels que lignes, filtres, robinetterie, … Ils peuvent s'accumuler dans les échangeurs, se déposer dans les machines tournantes en entraînant un balourd du rotor générateur de vibrations. L’adhérence aux parois et la dureté du bloc d’hydrates est telle qu’aucun moyen mécanique normal de débouchage ne peut être mise en œuvre. Seul le réchauffage (ex : lance à vapeur) s'avère efficace.

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Pour éviter ces risques il faut : – diminuer la teneur en eau dans le gaz (ex : 0,01 % à 15°C dans le propane) – injecter du méthanol, avide d'eau c - Fuite à l’atmosphère de gaz liquéfiés sous pression Lors d’une fuite de gaz liquéfiés sous pression il y a détente brusque de la pression interne du récipient à pression atmosphérique et donc vaporisation instantanée d’une partie du gaz liquéfié libéré. La partie non vaporisée s’écoule en nappes circulaires et se vaporise lentement grâce aux apports thermiques de l’environnement (conduction et convection avec le sol ou de l’eau, rayonnement solaire, température ambiante, …). Le phénomène est différent dans le cas d’un gaz liquéfié cryogénique stocké à la pression atmosphérique puisque la vaporisation instantanée n’apparaît pas, le produit libéré se répand sur le sol, formant une nappe qui se vaporise peu à peu.

00549_A_F

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A3

19

III - COUPS DE BÉLIER 1-

DESCRIPTION DU PHÉNOMÈNE Un coup de bélier est une brusque variation de pression et a pour cause une brutale variation de débit : – fermeture / ouverture de robinets – démarrage / arrêt de pompe (en particulier à distance)

Amont

Aval

Amont

Aval

D SEC 025 A

Dans une tuyauterie où circule du liquide, une fermeture brusque de vanne ne bloque pas immédiatement toute la masse de liquide se trouvant dans la tuyauterie. Ce liquide encore en mouvement vient “s’écraser” sur la face amont de l’opercule de la vanne en produisant une augmentation de pression et de la même façon, la pression en aval de la vanne chute brutalement.

Cette surpression (ou dépression) localisée sur une petite longueur va se déplacer sous forme d’une onde le long de la conduite (à la vitesse du son dans le liquide ≅ 1 km/s) jusqu’à ce qu’elle rencontre un obstacle qui la fait repartir dans l’autre sens. On crée ainsi un mouvement de va et vient de surpression et de dépression qui diminue avec le temps grâce aux frottements qui amortissent le mouvement. La valeur de la surpression atteinte est fonction de la vitesse de fermeture de la vanne. Une formule simplifiée permet d’estimer cette surpression.

∆P = surpression en bar L = longueur de la tuyauterie en m t = durée de la fermeture de la vanne en s ∆P =

L . (V 1 – V2 ) t . 50 v 1 = vitesse du produit ligne en service en m/s v 2 = vitesse après fermeture vanne = 0 m/s

00549_A_F

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20

Application : Calculer la surpression atteinte dans le cas suivant : Débit = Diamètre tuyauterie = Longueur de la tuyauterie = Temps de fermeture de la vanne =

100

DN 8

Sé rie

0 Sé

F-

4"

rie F

Sch

40

- 3" S

ch 4 0

Sch 40 rie F - 2"

40

DN

8

5S éri

eF

-5

"S

ch

9

DN 50 Sé

10

Vitesse en m/sec.

11

DN

12

7

6

0

h4

c "S

eF

-6

éri 0S

5 DN

15

4 0

ch 4

3

0 N 20

ie Sér

"S F-8

D

" Sch

50 S

DN 2

F - 12"

Série DN 300

1

40

Sch 40

e F - 16" Sch

DN 400 Séri

40

Débits en m3/h

50

100

150

200

250

300

350

Relation vitesse-débit dans une conduite en fonction du diamètre 00549_A_F

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400

D SEC 032 A

2

- 10 érie F

A3

21

2-

EFFETS DE COUPS DE BÉLIER ET PRÉVENTION Les coups de bélier par la surpression ou la dépression qu’ils occasionnent peuvent être la cause de chocs et de ruptures d’éléments de tuyauterie (en particulier en plastique où les phénomènes sont fréquents) ou de pièces mécaniques : joints, corps de pompe, boulonnerie de brides, clapets, … Pour prévenir ces incidents, deux solutions peuvent se présenter : •

la non création du coup de bélier la surpression de la variation de pression par un équipement approprié

Éviter le coup de bélier

L’amplitude de la surpression dépend essentiellement de la vitesse de variation du débit. Il suffit donc de s’attacher à ne produire que des variations lentes du débit. Il est ainsi recommandé de : – – – – –

démarrer une pompe vanne de refoulement fermée d’arrêter une pompe après avoir fermé la vanne de refoulement d’ouvrir ou fermer les robinets manuels progressivement (attention aux vannes 1/4 tour) de prévoir des temps raisonnables d'ouverture / fermeture des robinets motorisés de remplir lentement une canalisation vide

vanne ouverte brusquement

Vanne fermée

Impact du front du liquide =

surpression

D SEC 026 A

Air

Coup de bélier à l'ouverture d'une vanne

•

Se prémunir contre les coups de bélier

Il est cependant très difficile d’éviter tous les coups de bélier : – un arrêt brutal de pompe n’est pas souvent précédé par la fermeture de la vanne de refoulement – les automatismes de chargement créent systématiquement des coups de bélier Des équipements de protection peuvent être prévus : – soit pour amortir les coups de bélier par exemple avec une capacité antipulsatoire – soit pour se protéger contre des surpressions occasionnelles importantes par exemple avec une soupape ou un disque d’éclatement. 00549_A_F

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A3

22

Pour éviter la dissolution du gaz dans le liquide, on utilise des bouteilles à membranes de type Olaer. La pression de gonflage est fonction des caractéristiques du circuit. Une bouteille ne peut amortir qu’une seule fréquence. On n'est donc pas protégé dans le cas d'une pompe à vitesse variable

Orifice de gonflage Ouvert Gaz comprimé

D SEC 027 B

Vessie

Bouteille anti-pulsatoire de type Olaer

Clapet Neyric sur réseau d'eau incendie

Systèmes de protection contre les surpressions et les dépressions

00549_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-150

-140 -130 -120 -110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

e

80

ta n

n-H

ta ep

ne

4

5

6

9 8 7

10

15

00549_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PPC 010 A

-200

0,1

0,2

90

100

110

120 130 140

0,4

0,4

150

160 170 180 190

Température (°C)

0,5

0,5

200

0,1

0,2

0,3

0,6

0,6

0,3

0,9 0,8 0,7

1

0,9 0,8 0,7

COURBES DE TENSION DE VAPEUR DE QUELQUES HYDROCARBURES (Origine équation d'Antoine)

e tan u B ne e ta n tan n n e e P n-P is o ne xa e n-H

2

is

u oB

20

30

40

50

200

2

-190 -180 -170 -160

e e lèn y an p p o o Pr Pr

100

3

1

10

0

3

4

5

6

9 8 7

15

20

30

40

Pression (Atm)

ne

th a

Mé

50

-100

e

lè n

Eth y

ne

ha

Et

-200

23

A3

A3

24

400 300 200

Pression (bar)

500

Point critique 221,29 bar

C

374,15 °C 100 90 80 70 60 50 40 30 20

10 9 8 7 6 5 4 3 2

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

COURBE DE TENSION DE VAPEUR DE L'EAU DE 50 °C AU POINT CRITIQUE

0,3

Température (°C) 0,1

50

100

150

200

250

300

00549_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

350

400

D TH 018 E

0,2

00549_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Pression (bar)

PT

-100

-90

-90

-80

-80

-70

PT

-70

-60

PT

-60

-50

-50 -40

-40

-30

-30

-20

-20

-10

-10

0

2 CO

0

10

10

20

HC

20

I

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

100

90

100

NH 3

90

110

110

120

Cl 2

120

130

130

150

150

l CC 4

F3

140

Br

140

160

160

170

HF

170

190

200 210

180

190

200

210

Température (°C)

180

220

230

240

220

230

240

COURBES DE TENSION DE VAPEUR DE QUELQUES COMPOSÉS CHIMIQUES — Origine équation d'Antoine —

D TH 1005 A

0,09 0,08 0,07 PT 0,06 0,05 -130 -120 -110

0,1

0,2

0,3

0,4

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

1

2

3

4

9 8 7 6 5

10

20

30

40

50

90 80 70 60

100

-100

BF 3

-130 -120 -110 150

250

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05

0,1

0,2

0,3

0,4

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

2

3

4

9 8 7 6 5

10

20

30

40

50

90 80 70 60

100

150

250

25

A3

A3

26

VARIATION DE LA DENSITÉ DE QUELQUES LIQUIDES AVEC LA TEMPÉRATURE

Nom

Densité d

Formule -80°C

Acétaldehyde

-60°C

-40°C

-20°C

0°c

20°C

40°C

60°C

0,791

0,765

0,74

80°C

100°C

0,98

0,96

C 2H 4O

0,78

Acétate de butyle

C 6H12O2

0,882

Acétate d'éthyle

C 4H8O2

Acétone

C 3H 6O

Acide acétique

C 2H 4O 2

1,049

1,028

1,003

Acide formique

CH2O2

1,221

1,192

1,169

Acrylonitrile

C 3H 3N

0,806

Anhydride acétique

C 4H 6O 3

1,082

C 6H 4

0,879

0,858

0,836

0,815

0,793

0,500

0,488

1,203

1,113

Benzène Butane

n-butane

C 4H10

150°C

200°C

0,731

0,661

0,901 0,855

0,674

0,658

0,640

0,832

0,811

0,621

0,601

0,579

0,555

0,528

0,605

0,584

0,559

0,534

0,505

1,571

1,522

1,448

1,411

1,348

1,279

1,13

1,108

1,087

1,065

1,04

1,02

0,96

0,896

1,64

1,60

1,56

1,52

1,48

1,43

1,40

1,36

1,32

1,21

1,06 0,90

isobutane Chlore (liquide)

Cl2

Chlorobenzène

C 6H5Cl

Chloroforme

CHCl 3

Chlorure de méthyle

CH3Cl

1,101

1,067

1,031

0,997

0,960

0,921

0,881

0,837

0,790

0,733

Chlorure de méthylène

CH2Cl2

1,49

1,455

1,42

1,385

1,35

1,318

1,28

1,248

1,212

1,175

1,06

Chlorure de vinyle

C 2H3Cl

1,06

1,03

1,00

0,975

0,945

0,915

0,88

0,845

0,80

0,745

0,51

Cyclohexane

C 6H12

0,78

0,76

0,74

0,72

Diéthylène glycol

C 4H10O3

Éthanol

C 2H 6O 2

Éthylène glycol

C 2H 6O 2

Formaldéhyde

CH2O

Fréon 22

CHClF 2

Furfural

C 5H 4O 2

Glycérine

C 3H 8O 3

Méthanol

CH4O

Mercure

0,835

C 2H 4O

Propane (liquide)

C 3H 8

Styrène

1,135

1,122

1,107

1,091

1,075

1,06

1,02

0,806

0,789

0,765

0,745

0,736

0,716

0,645

0,50

1,127

1,113

1,098

1,083

1,069

1,054

1,017

0,974

1,512

1,465

1,411

1,350

1,285

1,213

1,133

1,16 0,880

0,862

0,845

1,263

1,251

1,237

1,224

1,21

1,17

1,132

0,827

0,810

0,792

0,774

0,755

0,736

0,714

0,646

0,563

13,64

13,60

13,55

13,50

1,203

1,018

C 6H3NO2

Oxyde d'éthylène Soufre fondu

0,82 0,815

Hg

Nitrobenzène

0,624

0,603

1,182

1,163

1,142

1,122

1,071

0,95

0,92

0,891

0,864

0,834

0,804

0,78

0,75

0,63

0,579

0,556

0,530

0,502

0,469

0,433 1,80

1,78

S C 8H 8

Tetrachl. de carbone

CCl4

Toluène

C 7H 8

Trichloréthylène

C 2HCl3

Urée (fondue)

CH4N2O

m-xylène Xylène

0,855

o-xylène p-xylène

C 8H10

1,76

0,907 0,960

1,67

1,63

1,585

1,545

1,505

1,46

1,42

1,31

1,18

0,942

0,923

0,905

0,886

0,868

0,849

0,830

0,811

0,791

0,739

0,679

1,60

1,57

1,535

1,50

1,465

1,43

1,395

1,36

1,33

1,24

1,13

1,335 0,885

0,866

0,851

0,833

0,814

0,793

0,738

0,68

0,91

0,881

0,865

0,846

0,83

0,812

0,764

0,708

0,861

0,84

0,823

0,805

0,786

0,738

0,682

00549_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training