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Importance et Rôle de l'Ingénieur Sécurité-Prévention

APPROCHE SHE - RÔLE DE L'INGÉNIEUR SÉCURITÉ PRÉVENTION

A1

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - DANGERS - RISQUES PROFESSIONNELS ........................................................................... 1 1 - Dangers.........................................................................................................................................1 2 - Risques professionnels .................................................................................................................1

II - DÉMARCHE DE DÉVELOPPEMENT DURABLE - APPROCHE SHE ..................................... 2 III - FONCTIONS HABITUELLES D'UN SERVICE SHE ................................................................. 3 1 2 3 4 5

-

Rôle ...............................................................................................................................................3 Objectifs ........................................................................................................................................ 3 Missions ........................................................................................................................................ 5 Exemples d'actions d'un service SHE ...........................................................................................6 Organisation hiérarchique .............................................................................................................7

IV - RÔLE DE L'INGÉNIEUR PRÉVENTION SHE .......................................................................... 8 1 - Poste .............................................................................................................................................8 2 - Responsabilités .............................................................................................................................8 3 - Profil et qualités requises .............................................................................................................. 8

SE MAN - 02102_A_F - Rév. 1

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03/03/2005

1

I-

A1

DANGERS - RISQUES PROFESSIONNELS 1-

DANGERS Toute activité humaine s’exerce au milieu de dangers permanents. DANGERS PERMANENTS = SOURCE/SITUATION pouvant nuire :

PRODUITS

PROCÉDÉS/MATÉRIELS

Inflammables Incompatibles Asphyxiants Nocifs, toxiques Corrosifs …

Continus, Discontinus Pression, Vide Température Machines Électricité Démarrage/Arrêt Travaux …

AMBIANCE DE TRAVAIL

"HUMAINS"

Bruit - Agitation Poussière Chaleur/Froid/Intempéries Rayonnement Conception/Agencement Encombrement Isolement

Atouts/Faiblesses Charges physique, mentale, psychologique Contexte économique Rapports humains …

RISQUES PROFESSIONNELS x

DANGER

EXPOSITION

ou

RISQUES

CONSÉQUENCE (gravité) x D'UN ÉVÉNEMENT DANGEREUX Voir document A1 Application B.

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PROBABILITÉ

D SEC 2182 A

2-

par blessure ou atteinte à la santé par dommage à la propriété, à l’environnement du lieu de travail ou à une combinaison de ces éléments

D SEC 1238 F

-

2

II -

DÉMARCHE DE DÉVELOPPEMENT DURABLE - APPROCHE SHE ➩ UNE ACTIVITÉ – EFFICACE économiquement : • produire • pas de perte humaine ou matérielle • pas de mouvement social – ÉQUITABLE socialement • salaires • conditions de travail – RESPONSABLE écologiquement • dans l’entreprise • de l’ensemble du personnel à l’extérieur

➩ DES OBJECTIFS – PROTECTION DES HOMMES ET DES POPULATIONS : Maîtrise de la santé des hommes à leur poste de travail, des impacts santé sur le voisinage – PROTECTION DES BIENS / EFFICACITÉ ÉCONOMIQUE : Rentabilité, réputation, image de marque, sûreté – RESPECT DES TIERS ET DE NOTRE ENVIRONNEMENT : • rejets chroniques et accidentels / déchets • produits achetés / vendus (cycle complet de la vie du produit) – RESPECT DES LOIS ET RÈGLEMENTS IMPOSÉS PAR LES POUVOIRS PUBLICS Sécurité / Hygiène-Santé / Protection de l'environnement résultent de la bonne articulation des éléments de prévention (règlements, actions mises en œuvre) : • modalité d'application et de contrôle • recherche permanente basée sur la connaissance des textes et sur l'expérience • formation des hommes

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A1

3

A1

III - FONCTIONS HABITUELLES D'UN SERVICE SHE 1-

RÔLE PROTÉGER L'HOMME ET SON ENVIRONNEMENT CONTRE L'HOMME

fl PAR : la prévention, l'élimination, la réduction des risques

2-

OBJECTIFS

1-PLANIFIER

2-DÉROULER, FAIRE

3-CONTRÔLER

D MEQ 1736 A

SERVICE SHE

4-AGIR, CORRIGER

Objectifs d'un service SHE

➩ PLANIFIER – PARTICIPER à la définition de la politique SHE du site en termes d'objectifs et de moyens

➩ DÉROULER / FAIRE – RÉDIGER et MAINTENIR à jour les consignes SHE / plans spécifiques – CONNAÎTRE / CENTRALISER et DIFFUSER toute la documentation utile (recommandations, obligations réglementaires, …) – ASSURER la formation du personnel en matière de prévention HSE – DIRIGER les actions de communication SHE

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– PARTICIPER aux Réunions des Comités SHE / Plans de prévention – VISER / CONTRÔLER les autorisations de travail, permis de feu, de fouilles, de pénétrer, d'utilisation de source radioactive, … – VEILLER à ce que les vérifications soient effectuées dans les délais et les enregistrements tenus à jour (essais des alarmes, évacuation, installations de détection, installations fixes, matériel incendie, …) – DONNER l'avis SHE / CONSEILLER sur les projets / modifications – COOPÉRER avec le Service Médical.

➩ CONTRÔLER L'EFFICACITÉ DE LA POLITIQUE – VÉRIFIER le respect des consignes – EFFECTUER quotidiennement une tournée SHE sur site - EFFECTUER des audits SHE sur le site, en particulier sur les chantiers - ANALYSER les dysfonctionnements SHE – PARTICIPER à la tenue à jour des statistiques et à la publication du rapport annuel du CHSCT(E)

➩ CORRIGER – TIRER LES ENSEIGNEMENTS des erreurs passées pour éviter qu'elles ne se reproduisent — INITIER les actions correctives nécessaires suite à tout dysfonctionnement SHE – DIRIGER / COORDONNER la lutte contre les sinistres.

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A1

5

3-

A1

MISSIONS Les différents objectifs d'un service SHE peuvent être traduits, d'une autre manière, en missions :

• Analyse les accidents et les conditions de travail • Élabore des statistiques "techniques"

RECHERCHE

• Participe aux programmes de prévention • Gère la documentation technique et réglementaire et assure une veille réglementaire

Accueil

• Campagnes de sécurité

Formation

Conférences • Lutte contre l'incendie • Vérification et contrôles des installations, matériels et produits • Entretien des équipements et moyens de protection • 1er secours et évacuation des blessés

OPÉRATIONNELLE

• Respect des organismes légaux

• Sur la conception et modification des installations • Participe à l'élaboration des consignes de sécurité et des procédures • Participe à l'élaboration des plans de prévention

LIAISON AVEC

Le service médecine du travail Les services ou directions de l'établissement Les organismes extérieurs de prévention Les représentants du personnel au CHSCT Les organismes d'état Les associations de riverains

Missions d'un service SHE

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D SEC 2031 A

FONCTIONNELLE OU DE CONSEIL

6

4-

EXEMPLES D'ACTIONS D'UN SERVICE SHE a - Actions préventives

➩ PROCÉDURES – règlement personnel (manuel de sécurité) – règlement et sélection des entreprises extérieures – consignes SHE – procédure / comité de sécurité / autorisation de travail

➩ MOTIVATION SENSIBILISATION – information / formation – campagne : concours - affiches - film - intranet – exercices – comité sécurité

➩ ÉTUDE - RÉALISATION DE TRAVAUX POUR DIMINUER LES RISQUES – suggestions / conseils – études de danger - études d'impact – visite périodique – audits b - Actions curatives

➩ PROTECTION DES INSTALLATIONS – plans

d'urgence POI PPI alerte à la bombe

– moyens

agents sécurité équipe de 1er secours pompiers, …

➩ LUTTE CONTRE LE FEU ET LES POLLUTIONS _ plans d'action

1ère urgence / 2 ème urgence protection civile confrères organismes tiers

– matériel

circuit eau incendie émulseurs véhicules installations fixes détecteurs matériel de lutte contre la pollution

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A1

02102_A_F

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Relations humaines

Médecin du travail

Service administratif

Service formation

Service travaux neufs

Service Entretien

Services production

Équipement et achats

Bureau des méthodes

Bureau d'études

cas "particuliers"

collaboration étroite

administration

formation

coordination

maintenance

intégration de la sécurité

approvt. instal. choix des équipements

organisation

conception modification

communication Information

Intégration

DRIRE Inspection du travail Assurances Service eaux…

ADMINISTRATION

Information

SERVICE SHE

Orientation

DIRECTION

contrôle de l'action

campagnes d'information

soutien de l'action

conseil

Participation, information

TECHNICIENS OUVRIERS

MAÎTRISE

CADRES

PERSONNEL

C.H.S.C.T.

5-

SERVICES

Voisinage

EXTÉRIEUR

7

A1

ORGANISATION HIÉRARCHIQUE D SEC 2030 A

8

IV - RÔLE DE L'INGÉNIEUR PRÉVENTION SHE 1-

POSTE – ASSURER ET FAIRE APPLIQUER la prévention nécessaire afin d'éliminer les risques d'accident de toute nature. – CONTRÔLER et SIGNALER toute situation ou tout procédé contraire au règlement intérieur et aux dispositions légales sur la sécurité et l'hygiène / santé au travail, l'environnement. – INFORMER, INSTRUIRE, ENTRAÎNER les équipes de lutte contre l'incendie et risques environnementaux pour développer les connaissances du personnel en fonction du matériel disposé sur le site.

2-

RESPONSABILITÉS - ORGANISER et PLANIFIER le travail du service entre ses différents membres. – COORDONNER le travail et la gestion du personnel. - CONTRÔLER le travail exécuté. _ ASSURER la veille technologique et réglementaire dans le domaine SHE. – RECEVOIR les représentants ou fournisseurs d'équipement de protection ou de lutte contre les risques ou incidents SHE. – TENIR les équipes d'intervention parfaitement entraînées et les matériels en excellent état. – CONTRÔLER et SURVEILLER la formation du personnel dans le domaine SHE. _ ASSURER par délégation de la Direction les relations avec l'administration de tutelle.

3-

PROFIL ET QUALITÉS REQUISES Voir document A1 - Application A

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A1

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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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

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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.

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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

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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).

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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.

00549_A_F

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18

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

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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A3

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

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-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

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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

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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

Information Amont - Aval - Transport

INFORMATION AMONT

B1

FORMATION - EXPLORATION ET PRODUCTION DES GISEMENTS

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - FORMATION DES COMBUSTIBLES FOSSILES ..................................................................... 1 1 2 -

Formation des hydrocarbures ...................................................................................................... 1 Formation du charbon .................................................................................................................. 4

II - GISEMENT ................................................................................................................................ 5 1 2 3 4

-

Formation d'un gisement.............................................................................................................. 5 Caractéristiques d'un gisement .................................................................................................... 8 Connaissance d'un gisement .......................................................................................................9 Mécanismes de drainage d'un gisement.................................................................................... 10

III - FORAGE PÉTROLIER ............................................................................................................ 12 1 2 3 4 5 6 7 8

-

Architecture d'un forage .............................................................................................................12 Trépans ...................................................................................................................................... 13 Fluide de forage .........................................................................................................................14 Tubage et cimentation................................................................................................................ 15 Obturateurs de sécurité.............................................................................................................. 15 Plate-forme de forage (Rig)........................................................................................................ 16 Cas particulier des forages marins (offshore) ............................................................................17 Forages complexes .................................................................................................................... 18

IV - ÉQUIPEMENTS D'UN PUITS ................................................................................................. 18 1 2 3 -

Production naturelle ...................................................................................................................18 Production activée...................................................................................................................... 19 Tête de puits...............................................................................................................................21

V - INSTALLATIONS DE SURFACE ............................................................................................ 22 1 2 3 -

Traitement du pétrole brut .......................................................................................................... 22 Traitement du gaz ...................................................................................................................... 23 Traitements dans les stations satellites...................................................................................... 25

PP DIV - 02082_A_F - Rév. 1

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03/03/2005

-0

1

I-

B 1 -0

FORMATION DES COMBUSTIBLES FOSSILES Les termes de "combustibles fossiles" font référence aux hydrocarbures – pétrole brut et gaz naturel – ainsi qu'au charbon.

1 - FORMATION DES HYDROCARBURES a - Formation du kérogène La formation des hydrocarbures est l'aboutissement d'un long processus de sédimentation de la matière organique (plusieurs millions d'années). Sur notre planète des organismes vivants meurent en permanence. Ces organismes sont composés pour l'essentiel de carbone, hydrogène, oxygène et azote sous forme de molécules complexes. À la mort de ces organismes, les molécules complexes se décomposent en molécules plus simples (CO 2 par exemple) qui sont pour la plus grande partie recyclées rapidement par la biosphère. Toutefois, une faible partie (moins de 1 %) de la matière organique se dépose et est entraînée vers le fond des mers et océans : – soit par processus alluvionnaire provenant de l'érosion des continents : charge terrigène – soit par dépôt de la matière organique provenant des océans eux-mêmes (plancton) : charge allochimique. Charge térrigène + organique

Charge allochimique + organique

1 2 3

Couches en décomposition

Mécanisme de sédimentation 02082_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PPC 1075 B

Animaux et végétaux

2

B 1 -0

Les sédiments minéraux en formation contiennent donc une part plus ou moins forte de matière organique qui s'y trouve piégée. Dans le sédiment, la quantité d'oxygène libre est faible et rapidement consommée par l'oxydation d'une partie de la matière organique. On se retrouve donc rapidement dans un milieu dépourvu de O2 libre appelé milieu anaérobie. Dans ce milieu, la transformation se fait grâce à l'action des bactéries anaérobies qui utilisent l'oxygène et l'azote contenus dans les molécules organiques, laissant ainsi le carbone et l'hydrogène qui peuvent alors se combiner pour former de nouvelles molécules : les hydrocarbures. Cette première transformation par les bactéries – transformation biochimique – conduit à la formation d'un composé solide appelé kérogène disséminé sous forme de petits filets dans le sédiment minéral appelé roche-mère. À ce stade, des atomes de carbone et d'hydrogène s'unissent afin de former une molécule simple, le méthane (CH4). Ce gaz qui se forme dans les couches supérieures du sédiment est appelé méthane biochimique car il est le produit d'une dégradation biochimique. Matière organique

CH4 + H2O

dégradation biochimique

De plus, les bactéries sont également responsables de la formation d'hydrogène sulfuré (H2S) par dégradation des sulfates dissous dans l'eau. b - Formation de l'huile et du gaz Filet de kérogène Roche mère Enfouissement et pyrolyse

D PPC 1271 A

Formation du kérogène

Filet d'hydrocarbures

Formation des hydrocarbures Par suite des mouvements très lents de la croûte terrestre, les sédiments s’enfoncent et la température ainsi que la pression ambiantes augmentent. Le kérogène va alors subir une dégradation thermique – phénomène de pyrolyse – conduisant à l’apparition de molécules d'hydrocarbures de plus en plus complexes. Ce phénomène provoque également une expulsion d’eau et de CO2 plus ou moins importante selon la quantité initiale d’oxygène. 02082_A_F

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B 1 -0

La roche-mère doit être suffisamment imperméable afin que le temps de séjour du kérogène soit suffisamment long pour que le phénomène de pyrolyse ait lieu. Les phénomènes conduisant à la transformation du kérogène vont dépendre des conditions de température et de pression et donc de la profondeur d’enfouissement.

Profondeur (m) MATIÈRE ORGANIQUE Dégradation biochimique (méthane biochimique)

0

C-H-O-N O-N —> soustraction

KÉROGÈNE

1000

Dégradation thermique 2000 Huile

Fenêtre à huile Gaz

4000

Résidu de carbone C

H-C 0

20 40 60 Hydrocarbures générés (%)

80

Fenêtre à gaz D PPC 1272 A

3000

Formation de l’huile et du gaz – À partir de 1000 m la dégradation thermique prend le pas sur la dégradation biochimique. – Entre 1000 et 2000 m le kérogène se transforme en huile (pétrole brut) pour l'essentiel, avec une petite partie de gaz. – Entre 2000 et 3000 m , le kérogène produit un maximum d’huile. C’est la "fenêtre à huile”. – Au-delà de 3000 m, la fraction de gaz devient plus forte car le phénomène de pyrolyse est plus important et conduit à une dégradation de l’huile produite. C’est la “fenêtre à gaz”. La formation d‘huile (pétrole but) s'accompagne pratiquement toujours de formation de gaz en plus ou moins grande quantité selon les conditions de la transformation thermique qui s’est produite. Dans la zone de la “fenêtre à huile”, il peut également y avoir formation d‘hydrogène sulfuré lors de la dégradation thermique du kérogène. Ce composé peut aussi être obtenu par un phénomène de réduction des sulfates par les hydrocarbures. La formation des hydrocarbures à partir du kérogène est un processus extrêmement lent s’étalant sur des millions d’années.

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B 1 -0

De plus, la quantité d’hydrocarbures formés représente une très faible part de la masse totale de kérogène.

GAZ

HUILE (pétrole brut)

CHARBON

3.1011 tonnes (0,003% du kérogène)

3.1011 tonnes (0,003% du kérogène)

1013 tonnes (0,1% du kérogène)

D PPC 1273 A

MASSE KÉROGÈNE TERRESTRE` 1016 tonnes

Production des combustibles fossiles à partir du kérogène

2 - FORMATION DU CHARBON Le charbon est une variété de kérogène formée à partir de végétaux supérieurs (arbres, fougères, etc.). L’accumulation importante de ces végétaux dans des conditions anaérobies (zone de grands marécages) provoque l'apparition d’un kérogène dont la proportion est majoritaire par rapport à la partie minérale, contrairement à ce qui se passe pour la formation des hydrocarbures. Lors de la sédimentation, l’élimination des parties volatiles (hydrogène, oxygène et azote) provoquent une concentration du carbone. Marécage

Tourbe (50 % C)

ENF OUI SSE ME NT

D PPC 1274 A

Lignite (72 % C)

Houille (85 % C)

Anthracite (93 % C) Formation du charbon 02082_A_F

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B 1 -0

Le premier stade de la sédimentation conduit à la tourbe. Puis, l’effet de pyrolyse dû à l’enfouissement conduit progressivement au lignite (70 % de C), à la houille et finalement à l’anthracite (> 90 % de C). Comme pour les autres kérogènes, la formation du charbon s’accompagne également de formation d’huile et de gaz (le redouté méthane ou “grisou”).

II -

GISEMENT Pour que les hydrocarbures soient exploitables, il faut que des quantités significatives d’huile ou de gaz soient accumulées dans des zones de taille limitée. Ce sont les conditions que l’on trouve dans les gisements.

1 - FORMATION D’UN GISEMENT Lors de la formation de l’huile et du gaz à partir du kérogène, les gouttelettes d’hydrocarbure sont disséminées dans la roche-mère et ne pourraient pas être exploitées si des phénomènes de migration et de concentration ne s’étaient pas produits. a - Processus de migration Gouttelettes d'hydrocarbures en transit

Pétrole

Particules

D PPC 1275 A

Gouttelettes d'hydrocarbures dissiminées

Roche-mère

Migration

Roche-réservoir

Migration des hydrocarbures

Quand la pression du gaz formé lors de la pyrolyse du kérogène en profondeur devient suffisante pour vaincre l’”imperméabilité” de la roche-mère, elle permet une migration des fractions liquide et gazeuse à travers les pores de la roche-mère. On dit que les hydrocarbures sont “expulsés” de la roche-mère et subissent une migration primaire. Ils entament alors une migration secondaire vers le haut en étant transportés, essentiellement, sous l’effet de la pression de l’eau à travers une roche perméable.

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B 1 -0

Lors de leur remontée, les hydrocarbures sont arrêtés par une couche imperméable, se concentrent dans les pores de la roche perméable et forment une accumulation : la roche s’appelle alors rocheréservoir.

Indice de surface

Couverture

Co

2

re oir

erv

s e ré

h Roc

e-m

h Roc

è re

2

1

1

Migration primaire

2 Migration secondaire

1

D PPC 1276 A

rtu uve

Migration des hydrocarbures

b - Formation d'un piège La migration des hydrocarbures se fait grâce au déplacement de l’eau dans les formations rocheuses. En effet, les eaux souterraines se trouvent non seulement dans les couches superficielles mais également en grande profondeur où elles circulent très lentement. Ce sont elles qui en migrant entraînent les gouttelettes d’hydrocarbures.

Cristaux de roche

IMPERMÉABLE (ANTICLINAL)

ROCHE POREUSE CONTENANT DU GAZ

ROCHE DE COUVERTURE

POINT DE FUITE

EAU

ROCHE POREUSE CONTENANT DU PETROLE EAU

Pétrole contenant du gaz dissous

EAU EAU

Représentation microscopique de roche-réservoir

Formation de gisement dans les roches-réservoirs 02082_A_F

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D PPC 1076 A

ROCHE POREUSE CONTENANT DU PÉTROLE ET DU GAZ DISSOUS

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B 1 -0

Le schéma ci-dessus décrit une situation commune et recherchée où le piège constitué par la rocheréservoir est situé au sommet de plis anticlinaux où alternent roches perméables (roches-réservoirs) et roches imperméables (roches de couverture). On trouve également d’autres situations propices à la formation de pièges : – couche perméable coincée sous des couches imperméables dans un biseau formé par le déplacement de couches à la faveur d’une faille

Roche imperméable de couverture Roche réservoir de gaz

D PPC 1277 A

Roche réservoir d'huile

Eau Piège associé à une faille

– lentilles sableuses contenues dans des couches imperméables – pièges associés à des dômes de sel imperméables

Roche imperméable de couverture

Dôme de sel imperméable Eau Piège associé à un dôme de sel

02082_A_F

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D PPC 1277 B

Roche réservoir de gaz Roche réservoir d'huile

8

c - Autres situations – Une roche-réservoir étanche et ancienne peut être prise dans le mouvement des plaques terrestres et donc subir un enfouissement. De ce fait, le pétrole contenu dans la rocheréservoir est soumis à une nouvelle pyrolyse par effet de la température augmentant avec la profondeur. Dans ce cas, l’effet de pyrolyse va produire du gaz et un résidu lourd sous forme de bitumes. L’enfouissement d’une roche-réservoir de pétrole peut donc conduire à la formation d’un gisement essentiellement gazier en général situé plus en profondeur qu’un gisement pétrolier. – Si aucune couche imperméable n’arrête la migration des hydrocarbures, ceux-ci parviennent au niveau du sol. Sous l’effet des bactéries, les hydrocarbures sont dégradés, perdant leurs fractions volatiles et aboutissent à la formation de bitumes. Ces gisements de surface sont connus depuis l’Antiquité et ont en particulier servi pour assurer l’étanchéité des navires en bois ainsi que des bâtiments. Actuellement, la plus grande accumulation connue au monde est constituée par les sables bitumineux de l’Athabasca au Canada. – On trouve également des schistes dits “bitumineux” qui sont en fait constitués de roches et de kérogène n’ayant pas subi de pyrolyse. Il s’agit donc plus de combustibles fossiles assimilables à des charbons.

2 - CARACTÉRISTIQUES D’UN GISEMENT Une roche-réservoir est caractérisée par trois paramètres principaux qui vont déterminer sa potentialité à produire des hydrocarbures : – la porosité est le rapport entre le volume des pores et le volume total de la roche. On s’intéresse particulièrement à la porosité utile, c’est-à-dire l’ensemble des pores communiquant entre eux et avec l’extérieur. Les roches-réservoirs ont des porosités très variables en général comprises entre 5 % et 25 %. – la perméabilité qui caractérise l’aptitude de la roche à laisser s’écouler les hydrocarbures à travers ses pores. Plus la perméabilité est faible, plus l’écoulement sera difficile. Il est à noter qu’une faible perméabilité est moins gênante dans un gisement gazier que dans un gisement d’huile du fait de la plus faible viscosité du gaz – la saturation qui mesure la nature des fluides occupant les pores de la roche-réservoir.

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B 1 -0

9

B 1 -0

Saturation

Valeurs types

Se = saturation en eau

10 % < Se < 100 %

Sh = saturation en huile

0 % < Sh < 85 %

Sg = saturation en gaz

0 % < Sg < 90 %

avec S e + Sh + Sg = 100 % Valeurs types des caractéristiques d’un gisement

3 - CONNAISSANCE D’UN GISEMENT Afin de déterminer les sites possibles à la formation de gisements, on fait appel à la géologie et à la géophysique (gravimétrie, magnétométrie, sismique) de façon à rechercher : – les zones où ont été rassemblées les conditions favorables à la formation d’hydrocarbures (roches-mères) – les zones de migration et de piégeage des hydrocarbures ainsi formés. Si la géologie et la géophysique permettent de déterminer les sites favorables, les techniques actuelles ne permettent pas de connaître la nature du fluide piégé dans la roche-réservoir (qui est souvent de l’eau). Il est donc nécessaire de procéder à des forages d’exploration afin de mieux connaître le gisement au moyen de : – diagraphies (mesures continues des caractéristiques : densité, résistivité, nature des débris, etc., des couches traversées lors du forage) – carottage qui permet de remonter en surface un échantillon de la roche à étudier – diagraphies après forage à l’aide d’appareils de mesure descendus dans le puits à l’extrémité d’un câble (propriétés électriques, radioactives, acoustiques, etc.) – essais de puits afin de déterminer la pression en fond de puits ainsi que la perméabilité de la roche-réservoir aux abords du puits. Cet essai permet également par échantillonnage de déterminer la viscosité du fluide et sa composition. Ces analyses permettent alors de déterminer la structure du gisement ainsi que les quantités d’hydrocarbures récupérables et donc de prendre une décision économique quant à l’exploitation du gisement. Il faut en moyenne 5 à 6 forages d’exploration pour un puits productif. Les tailles et réserves récupérables des gisements varient considérablement d’un site à l’autre. Il y a actuellement dans le monde quelques 30 000 gisements commerciaux dont 400 sont considérés comme “géants” et contiennent 60 % des réserves.

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B 1 -0

4 - MÉCANISMES DE DRAINAGE D’UN GISEMENT Le drainage est l’ensemble des mécanismes qui provoquent le déplacement des fluides à l’intérieur de la roche-réservoir vers le puits de forage. On distingue : – le drainage naturel d’un puits – le drainage assisté a - Mécanisme de drainage naturel (drainage “primaire”) De façon générale, le taux de récupération pour le gaz est bien supérieur à celui de l’huile du fait de la compressibilité du gaz et de sa facilité d’écoulement. En moyenne on obtient les taux de récupération suivants : – 75 % pour le gaz – 30 % maximum pour l’huile La récupération “naturelle” des hydrocarbures à partir de la roche-réservoir met en œuvre plusieurs mécanismes, principalement : – expansion monophasique du gaz et de l’huile : ce mécanisme est efficace pour le gaz par suite de sa compressibilité. Par contre, il l’est peu pour l’huile (quelques pour cent) – expansion du gaz dissous dans l’huile : quand la pression du gisement baisse, il y a désorption et expansion du gaz _ expansion du gaz situé au-dessus du gisement d’huile, le volume d’huile pompé étant compensé par l’expansion du gaz accumulé en partie supérieure du gisement (gas-cap) Huile + gaz vers séparateur

D MEQ 1640 B

Expansion du gaz

Expansion de la nappe aquifère

Drainage naturel résultant de la pression du gaz et de l'eau du gisement – migration de la nappe aquifère : l'eau de la nappe prend la place de l’huile dans les pores de la roche-réservoir. Ce mécanisme et assez efficace car la faible viscosité de l’eau facilite sa pénétration dans les pores de la roche. 02082_A_F

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B 1 -0

b - Drainage assisté (“secondaire et tertiaire”) Afin d’améliorer le taux de récupération de l’huile contenue dans un gisement au-delà de ce qui est imposé par drainage naturel, on met en œuvre des mécanismes de drainage assisté. Le drainage assisté se fait par injection d’énergie au moyen de puits annexes situés à proximité des puits producteurs. Il permet d’augmenter le taux de récupération de l’huile d’environ 10 %. • Pour les réservoirs de faible volume et de structure adaptée, on utilise les mécanismes suivants pour améliorer le drainage de la roche-réservoir : – drainage secondaire : injection d‘eau réalisée dans la nappe aquifère située sous le gisement d’huile ou injection de gaz au-dessus du gisement : on provoque un drainage vertical du réservoir – drainage tertiaire : injection de vapeur d'eau réalisée dans la roche-réservoir en particulier pour les réservoirs d’huile lourde. Injection de produits chimiques (émulsions eau/huile/tensioactifs, solutions de polymères dans l’eau) Huile + gaz vers séparateur Eau

Vapeur

Vapeur

D MEQ 1641 A

Eau

Huile + gaz vers séparateur

Drainage secondaire : augmentation de la pression de l’eau au sein du gisement par injection d’eau

Drainage tertiaire : rendement d’exploitation amélioré par injection de vapeur ou d’additifs chimiques

Drainage assisté du réservoir

D PPC 1278 A

• Pour les réservoirs de grand étendue, on injecte de l’eau et/ou du gaz par des puits injecteurs situés au centre de carrés constitués par les puits producteurs : on provoque ainsi un drainage radial du réservoir

: Puits producteur

: Puits injecteur

Vue de dessus d’un drainage radial de réservoir 02082_A_F

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III -

B 1 -0

FORAGE PÉTROLIER Le forage constitue l’étape essentielle pour l’installation de puits permettant la récupération des hydrocarbures contenus dans la roche-réservoir. La profondeur des forages varie considérablement selon les sites de quelques centaines de mètres à plusieurs milliers de mètres. Les premiers forages réalisés ont été effectués à partir de la terre ferme sous forme de puits verticaux. Depuis lors, les techniques ont considérablement évolué : – forages marins à plus ou moins grande profondeur (offshore) – forages dirigés permettant d’atteindre des réservoirs situés sous des zones peu accessibles – forages complexes permettant d’améliorer le taux de récupération des hydrocarbures

1 - ARCHITECTURE D’UN FORAGE Dans la plupart des cas, un forage est composé de trois parties : – une colonne de surface de quelques centaines de mètres destinée à retenir les terrains de surface et à protéger la nappe phréatique – la colonne intermédiaire qui peut atteindre plusieurs milliers de mètres – finalement la colonne de production située dans la partie pétrolifère et à l’intérieur de laquelle sera installé le tube de collecte des hydrocarbures.

Tube guide Diamètre du forage 24 "

Forage en 17" 1/2

Tubage 13" 3/8

Colonne de surface (-1000 m)

Ciment Forage en 12" 1/4 Colonne de intermédiaire (-3500 m)

Tubage 9" 5/8

Colonne de production (-5000 m)

Forage en 6"

Exemple d'architecture d’un forage 02082_A_F

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D MEQ 1729 A

Forage en 8" 1/2

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B 1 -0

Les premiers forages ont été effectués selon la technique du battage au moyen d’un lourd trépan suspendu à un câble. Cette technique adaptée aux forages de faible profondeur dans des terrains bien consolidés est désormais remplacée, sauf exception, par la technique du forage rotatif (rotary drilling). La technique du forage rotatif consiste à utiliser un trépan disposé à l’extrémité des tiges de forage et que l’on fait tourner. Le forage se réalise sous l’action combinée du poids sur le trépan (plusieurs dizaines de tonnes) et de sa rotation (200 tr/min).

2 - TRÉPANS Les trépans à molettes (ou tricônes) sont constitués de trois molettes dentées en acier très dur. Un filetage permet de visser le trépan sur la tige de forage. Les orifices d’injection du fluide de forage sont situés dans l’axe du trépan ou sur les côtés de l’outil sous forme de jets. Pour les terrains très durs, on utilise des trépans à tête diamantée d’un prix de revient très élevé (5 fois le prix d'un trépan classique). La durée de vie des trépans est fonction des terrains traversés mais est en général d’une centaine d’heures. Le changement d’un trépan nécessite la remontée de l’ensemble des tiges de forage.

D MEQ 1633 A

La vitesse de progression d’un forage est également fonction des terrains traversés et est de l’ordre de quelques mètres par heure.

Exemple de trépans

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B 1 -0

3 - FLUIDE DE FORAGE Afin d‘évacuer tous les débris de roches arrachés par le trépan, on emploie la technique du fluide de forage (ou de curage) qui consiste à injecter un fluide à l’intérieur des tiges de forage qui remonte ensuite dans l’espace annulaire entre le trou lui-même et les tiges de forage. Injection fluide de forage

Tige de forage

Puits Trépan

D MEQ 1729 B

Retour fluide de forage + débris

Évacuation des débris par le fluide de forage

Le fluide ou boue de forage et constitué d'un mélange d'eau et d'argile (bentonite) à 5/10 %. Le fluide de forage a des rôles multiples : – il sert à remonter vers la surface les débris de roche créés par le forage – il permet un refroidissement du trépan et le nettoyage continu du front de taille – il empêche les éboulements grâce à la pression du fluide sur les parois du puits – il retient également les fluides sous pression contenus dans les roches en évitant ainsi leur intrusion dans le puits Le débit du fluide de forage est assuré depuis la surface au moyen de pompes à boue d'un débit de 50 à 150 m3 /h, nécessaire pour avoir une vitesse suffisante de remontée des boues dans l'espace annulaire. La qualité du fluide de forage fait également l'objet d'un contrôle constant de densité et de viscosité.

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4 - TUBAGE ET CIMENTATION Afin de maintenir le puits en état lors de la production des hydrocarbures, il convient d'effectuer un tubage réalisé régulièrement au fur et à mesure de l'avancement du forage. Les tubes sont vissés les uns aux autres et sont descendus dans le puits, celui-ci étant plein de boue de forage. Un mélange eau + ciment est ensuite envoyé à l'intérieur des tubes et refoulé dans l'espace annulaire entre la paroi du puits et le tubage. Après durcissement du ciment (12 à 24 h), on peut continuer la suite du forage. Cette opération de cimentation a principalement pour rôle : – de fixer le tubage aux roches environnantes – de stabiliser le puits avant poursuite du forage – d'éviter la corrosion du tubage – de supporter le tubage qui représente un poids important – de maintenir les fluides à forte pression contenus dans les roches environnantes

5 - OBTURATEURS DE SÉCURITÉ Si la pression hydrostatique exercée par le fluide de forage est insuffisante pour maintenir en place les fluides sous pression contenus dans les roches, il y a un risque de voir apparaître une éruption libre d'hydrocarbures avec éventuellement inflammation au niveau de la tête de puits. Pour éviter cet incident on place en tête de puits un ensemble de vannes particulières appelées obturateurs de sécurité (Blow Out Preventer : BOP) ou blocs d'obturation du puits. On met en place un jeu de deux ou trois obturateurs dont la fermeture est commandée hydrauliquement et pouvant supporter des pressions de 200 à 700 bar.

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6 - PLATE-FORME DE FORAGE (RIG) La plate-forme de forage réunit l'ensemble du matériel permettant le forage d'un puits.

Système d’entraînement de table de rotation

Blocs d’obturation du puits

Palan

Tige d’entraînement

Tête d’injection Tiges de forage

Moteurs diesel

Table de rotation Aire de travail

D MEQ 1632 A

Tiges de forage

Blocs d’obturation du puits

Bac à boues

Pompe d’injection du liquide de curage

Plate-forme de forage rotatif On distingue principalement : – un derrick permettant le levage et la manœuvre des tiges de forage qui se présentent par tronçons d'une dizaine de mètres – un treuil permettant le levage des tiges de forage. Le treuil entraîne un câble passant par une poulie fixe située au sommet du derrick puis par un palan mobile sur lequel est fixé le crochet de levage. La mesure de la tension du câble permet de connaître à tout moment le poids des tiges de forage suspendues au crochet. Par exemple, pour 1000 m de forage le poids est d'environ 30 tonnes – une table de rotation (Rotary table) entraînée par moteur permet de faire tourner l'ensemble tiges et trépan. 02082_A_F

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B 1 -0

La première tige est toujours une tige de section carrée (Kelly) qui vient s'engager dans un logement de même section de la table de rotation et provoque ainsi le mouvement de l'ensemble – des bassins à boues (trois ou quatre) de capacité unitaire de quelques dizaines de m3 – des pompes à boues, pompes volumétriques pouvant refouler à des pressions de 200 à 350 bar et permettant l'injection du fluide de forage à l'intérieur des tiges de forage – les obturateurs de sécurité (BOP) situés en tête de puits.

7-

CAS PARTICULIER DES FORAGES MARINS (OFFSHORE) Les forages marins utilisent les mêmes principes que les forages terrestres avec toutefois des technologies beaucoup plus complexes. Plate-forme fixe

Plate-forme flottante semi-submersible

Navire de forage

Jusqu’à 500 m Plus de 1000 m

D MEQ 1634 A

Jusqu’à 300 m

Installations de forages marins

Selon la profondeur d'eau, les installations de forage sont disposées : – sur une plate-forme autoélévatrice pour une profondeur jusqu'à 100 mètres environ. Cette plate-forme repose sur le fond marin au moyen de jambes dont la longueur est réglable. La plate-forme est située à une vingtaine de mètres au-dessus du niveau de l'eau. L'avantage de cette plate-forme est qu'elle peut être déplacée – sur une plate-forme fixe pour une profondeur jusqu'à 300 mètres environ. Dans ce cas, la plate-forme est fixée au fond marin au moyen de piles en acier. Ce type de plate-forme est fixe – sur une plate-forme semi-submersible comportant des flotteurs immergés maintenus au moyen de lignes d'ancre. Ce type de plate-forme, peu sensible au mouvement de la houle, peut être installé jusqu'à une profondeur de 500 mètres environ – pour des profondeurs plus importantes, on utilise des navires de forage maintenus en place soit par des ancres, soit par des hélices auxiliaires.

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B 1 -0

8 - FORAGES COMPLEXES Ces forages démarrent toujours par un puits vertical qui est ensuite dévié afin d'atteindre les rochesréservoirs (la déviation peut aller jusqu'à l'horizontale). On fore également des puits multidrains, ou multibranches, permettant d'atteindre plusieurs réservoirs à partir du même forage.

Puits horizontaux

D PPC 1279 A

Puits à trajectoires complexes 3 D

Puits multidrains Puits multibranches 3 D

Forages complexes

IV - ÉQUIPEMENT D'UN PUITS Les puits productifs sont classifiés en fonction du mécanisme utilisé pour extraire les hydrocarbures depuis le réservoir jusqu'à la surface : extraction éruptive naturelle ou extraction activée. •

Les puits des réservoirs gaziers produisent naturellement.

•

Les puits de pétrole liquide peuvent produire naturellement mais peuvent également nécessiter une extraction activée afin de maintenir un débit d'huile suffisant.

1 - PRODUCTION NATURELLE La production naturelle d'un puits ne peut se faire que si la pression dans la roche-réservoir est supérieure à la pression résultant de la hauteur hydrostatique du puits. Par exemple pour un brut "moyen" de densité d = 0,860 et une profondeur de puits de 2000 m, la pression dans la roche-réservoir devra être supérieure à environ 200 bar afin d'assurer une production naturelle. De plus, au fur et à mesure que la pression baisse, du gaz dissout dans l'huile se vaporise et forme des bulles au sein du liquide, ce qui facilite la production naturelle. Ce phénomène a toutefois ses limites car si la quantité de gaz désorbé devient trop importante, seule la partie gaz arrive à la surface, la partie huile restant au fond : dans ce cas, il faut avoir recours à la production activée. 02082_A_F

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B 1 -0

Pression tête de puits

GAZ

Réseau de collecte

HUILE Séparateur Débit huile + gaz

Tubage du puits

Pression hydrostatique (hauteur du puits) Roche-réservoir

D MEQ 1730 A

Dispositif d'étanchéité (Packer)

Principe de la production naturelle d'un puits

2 - PRODUCTION ACTIVÉE Il existe plusieurs méthodes de production activée. Seules les plus fréquentes sont décrites ci-après. a - Extraction par poussée de gaz (gas lift) Cette méthode consiste à recréer le principe de la production naturelle en diminuant la pression hydrostatique au fond du puits. Pour cela, on injecte du gaz dans l'espace annulaire entre le tubage du puits et la colonne de production. La colonne de production est munie d'orifices permettant au gaz de passer à l'intérieur de la colonne de production et ainsi d'alléger la colonne de liquide vers la surface (vannes de gas lift). À la sortie du puits, le gaz est séparé de l'huile, recomprimé et réinjecté dans le puits. Ce procédé permet d'extraire plusieurs milliers de m3 par jour. Réglage du débit de gaz

Pression tête de puits

GAZ

Réseau de collecte

HUILE

GAZ Séparateur

Débit huile + gaz

Tubage du puits

Roche-réservoir

Principe de l'extraction par poussée de gaz (gas-lift) 02082_A_F

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D MEQ 1730 B

Vanne de gas-lift Dispositif d'étanchéité (Packer)

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b - Extraction par tige de pompage (Sucker rod pumping) C'est la méthode la plus utilisée. Une pompe à balancier imprime un mouvement alternatif à une tige à l'extrémité de laquelle est fixé un tube plongeur. Ce tube plongeur se déplace dans un corps cylindrique installé au fond du puits. Tube plongeur et corps cylindrique sont munis de clapets à bille. À chaque mouvement alternatif, le tube plongeur se remplit d'huile qui est ensuite évacuée dans la colonne de production vers la surface. Ce procédé, quoique très utilisé, limite toutefois la production d'un puits de 200 à 300 m3 par jour. De plus le débit possible diminue fortement avec la profondeur requise. De 250 m3 /j à 750 m on chute à 25 m3 /j à 3000 m.

D MEQ 1640 D

Huile + gaz vers séparateur

Exploitation avec pompe à piston plongeur

Principe de l'extraction par tige de pompage (Sucker rod pumping)

Colonne de production

Corps cylindrique

Tube plongeur

Fermé

Ouvert

Ouvert

Fermé

Clapet fixe Position base

Position haute

Principe de fonctionnement du tube plongeur 02082_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1731 A

Clapet mobile

21

B 1 -0

c - Pompage par pompe centrifuge immergée Une pompe centrifuge multiétagée est immergée au fond du puits. Le moteur électrique est alimenté depuis la surface par un câble électrique. Ce procédé permet un débit de plusieurs centaines de m 3 par jour.

3 - TÊTE DE PUITS La tête de puits est l'élément essentiel assurant la sécurité du puits. Elle doit pouvoir supporter la pression maximale des hydrocarbures à débit nul.

Chapeau de tête "tree cap" Vanne de curage Vanne latérale de production FMC FMC

Croix de circulation

Vanne maîtresse supèrieure Vanne maîtresse inférieure

Porte duse

Réseau de collecte

Vanne latérale d'accès d'espace annulaire tubing-casing

Assemblage de la tête de puits

02082_A_F

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D MEQ 1732 A

Olive de suspension du tubing

22

B 1 -0

La tête de puits assure plusieurs rôles : – elle supporte le poids de la colonne de production – elle doit assurer l'étanchéité entre le tubage du puits et la colonne de production et l'accès à l'espace annulaire entre tubage et colonne – elle doit permettre l'accès à la colonne de production pour réaliser des travaux sous pression (opérations d'entretien) – elle permet le réglage du débit d'hydrocarbures La tête de puits se présente comme un assemblage assez complexe d'éléments permettant d'assurer les fonctionnalités décrites ci-dessus. De par sa forme, la tête de puits est souvent appelée "Arbre de Noël" (Christmas Tree).

V-

INSTALLATIONS DE SURFACE Les hydrocarbures issus des puits de production ne peuvent pas être vendus tels quels aux différents utilisateurs. Ils doivent subir un certain nombre de traitements sur le champ de production afin de répondre aux spécifications de qualité souhaitées par les clients.

1 - TRAITEMENT DU PÉTROLE BRUT Un gisement de pétrole brut produit un mélange d'hydrocarbures lourds et légers sous forme liquide et gazeuse auquel peuvent s'ajouter des constituants gazeux non hydrocarburés (tels que de l'azote, du gaz carbonique, de l'hydrogène sulfuré, …) de l'eau plus ou moins salée, éventuellement des solides. Les traitements consistent : – à stabiliser le brut en le séparant de la phase gaz – à éliminer l'eau, le sel et les sédiments au moyen d'une installation de dessalage TRAITEMENT DU GAZ Gaz

Eau de dessalage

Gaz Comptage

PÉTROLE BRUT DU PUITS

Dessalage

Séparation

BRUT VERS STOCKAGE

Stabilisation Brut stabilisé + eau

Eau, sel sédiments

Traitement du pétrole brut sur champ de production

02082_A_F

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D MEQ 1733 A

Électrodes

23

Les traitements effectués peuvent être résumés de la façon suivante : – le brut est envoyé dans des séparateurs successifs ou dans une colonne de façon à provoquer le dégazage des hydrocarbures légers ainsi que la décantation de l'eau. Le brut ainsi obtenu est dit stabilisé – l'effluent gazeux est traité pour une utilisation sur le champ producteur (puits injecteur) ou pour expédition – le brut stabilisé est ensuite mélangé à de l'eau douce et traité dans un dessaleur. Dans le dessaleur, l'eau dissout le sel et entraîne les sédiments par gravité. La séparation gravitaire est en général facilitée en provoquant dans le dessaleur un champ électrique élevé au moyen d'électrodes – le brut dessalé subit ensuite un dégazage final avant expédition vers le stockage. Il est ensuite exporté par navire ou pipe-line Lors de l'expédition du pétrole brut et de sa réception dans une raffinerie, certaines analyses de qualité sont particulièrement vérifiées : – la teneur en eau et sédiments (ou BSW : Basic Sediment and Water) (valeurs habituelles BSW < 0,1 % à 1 %) – la salinité (Salt content) (valeurs habituelles Salinité < 40 à 80 mg/l chlorure de sodium) – la densité D'autres paramètres comme la tension de vapeur, la viscosité, le point d'écoulement sont également importants pour déterminer le mode de stockage et la facilité de pompage. La teneur en H2S est aussi importante pour des raisons de sécurité.

2 - TRAITEMENT DU GAZ Comme pour le pétrole brut, le gaz, à la sortie du puits, peut être accompagné : – de vapeur d'eau ou même d'eau liquide – des constituants non hydrocarburés : azote, gaz carbonique, hydrogène sulfuré – des particules solides De plus, à la sortie du puits, certains hydrocarbures plus lourds à l'état gazeux dans la roche-réservoir peuvent se condenser et former des condensats liquides que l'on doit éliminer. Les traitements du gaz consistent donc : _ à éliminer les composés acides et soufrés (adoucissement) – à le déshydrater – à éliminer les condensats (dégazolinage).

02082_A_F

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B 1 -0

24

B 1 -0 Comptage Compression

H2S CO2

Gaz

Adouccissement (lavage à l'amine)

Déshydratation (lavage au glycol)

Dégazolinage

Condensats

Séparateurs

Eau Condensats

STOCKAGE CONDENSATS

Traitement du gaz sur champ de production

Les traitements effectués peuvent être résumés de la façon suivante : – l'adoucissement se fait par absorption des composés acides par une solution d'amine. Cette solution est ensuite régénérée et recyclée. L'objectif de ce traitement est d'éliminer les constituants indésirables (H2S, mercaptans, CO 2) qui se révèlent corrosifs en présence d'humidité ou particulièrement dangereux (H2S) – la déshydratation se fait par absorption de l'eau au moyen d'une circulation de glycol. Le glycol est ensuite régénéré et recyclé. L'objectif de l'élimination de l'eau est d'éviter la formation d'hydrates. Les hydrates sont des mélanges de glace eau + hydrocarbures légers particulièrement durs et stables, même à température ambiante. La formation d'hydrates provoque des risques importants de bouchage des canalisations et donc d'interruption de la production. – le dégazolinage consiste à éliminer du gaz les hydrocarbures légers se trouvant sous forme liquide (condensats). Le procédé consiste à refroidir le gaz de façon à condenser les hydrocarbures à éliminer, puis à effectuer une séparation gaz-liquide à basse température (entre + 5° et – 15°C). Après traitement du gaz et avant expédition, les qualités suivantes sont vérifiées : – le point de rosée (c'est-à-dire, lors d'un refroidissement du gaz, la température pour laquelle apparaît la première goutte de liquide) – la teneur en H2S (spécification moyenne Gaz de France ≤ 7 mg/Nm3) – la teneur en autres produis soufrés (dont mercaptans) – la teneur en CO2 (spécification Gaz de France ≤ 2,5 %)

02082_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1734 A

GAZ DU PUITS

GAZ TRAITÉ

25

B 1 -0

3 - TRAITEMENTS DANS LES STATIONS SATELLITES Pour les champs de très grandes dimensions, il existe souvent des stations satellites situées à proximité des puits et dans lesquelles des traitements initiaux sont effectués : – stabilisation du pétrole brut – décantation de l'eau contenue dans le brut – traitement de l'eau pour réinjection dans un puits injecteur Le gaz et le pétrole brut sont ensuite expédiés par pipe-line vers une installation centrale où sont effectués les traitements complets du gaz et du pétrole.

Stockage eau Séparateur brut/eau Puits injecteur d'eau

Traitement de l'eau

Pompe d'injection Séparateur

Puits gazier

Comptage sortie puits Stockage pétrole brut

Séparateurs

Comptage sortie puits

Comptage gaz

D MEQ 1735 A

Réseau de collecte des puits de pétrole

Comptage pétrole

GAZ VERS PIPE-LINE PÉTROLE BRUT VERS PIPE-LINE Exemple de station satellite

02082_A_F

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Récupérateur des vapeurs

Information Amont - Aval - Transport

INFORMATION AVAL

B2

PRINCIPE DU RAFFINAGE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

1-

LES OPÉRATIONS DE RAFFINAGE ....................................................................................... 1

2-

CLASSIFICATION DES PRINCIPAUX PRODUITS PÉTROLIERS COMMERCIAUX ............. 1

3-

LES PÉTROLES BRUTS.......................................................................................................... 2

4-

TRAITEMENTS DE RAFFINAGE ............................................................................................. 4

5-

LA CONSTITUTION ET LE CONTRÔLE DES PRODUITS FINIS............................................ 6

6-

LA RAFFINERIE : ORGANISATION GÉNÉRALE .................................................................... 7 PLANCHES : "Objectifs du raffinage" .......................................................................................................................... 8 Principaux critères de qualité des produits pétroliers ............................................................................ 9 Gammes d'hydrocarbures dans les produits pétroliers ........................................................................ 10

RA GEN - 02083_A_F - Rév. 0

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26/01/2005

-1

B 2 -1

1

1-

LES OPÉRATIONS DE RAFFINAGE – – – –

Réception et stockage du pétrole brut Traitement du pétrole brut dans les unités de raffinage - Fabrication des bases Mélange des bases et constitution des produits finis Contrôle laboratoire et expédition des produits

Schéma de fabrication

2-

Transformations

Distillation Fractionnement

Reformage Craquage Viscoréduction Alkylation

Épurations

Lavage, etc... Hydrodésulfuration Tamis Usines à soufre

Stockage

Mélanges

Stockage des produits intermédiaires

Élaboration des produits finis

Expéditions

Rail Route Pipelines

CLASSIFICATION DES PRINCIPAUX PRODUITS PÉTROLIERS COMMERCIAUX PRODUITS NON ÉNERGÉTIQUES

PRODUITS ÉNERGÉTIQUES

PRODUITS LOURDS

PRODUITS INTERMEDIAIRES

ESSENCES

GAZ

CARBURANTS

COMBUSTIBLES

•

Mélange spécial Carburant liquéfié

• Propane commercial • Butane commercial

•

Supercarburant - avec plomb - sans plomb

• Naphta pétrochimique • Essences spéciales • White-spirit

• •

JP 4 JET A1

• Pétrole lampant

• • •

Gasoil moteur Fuel-oil domestique Diesel Marine léger

• Fuel-oil domestique • Fuel lourd n°1 • Fuel lourd n°2

02083_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

• • • •

Bases huiles Paraffines Cires Bitumes

D PCD 057 A

Stockage du brut

Séparations

B 2 -1

2

3-

LES PÉTROLES BRUTS Chaque raffinerie dispose d'une panoplie particulière de pétroles bruts. Ces pétroles bruts donnent des rendements très différents en gaz, essences, produits intermédiaires et produits lourds, et ces rendements peuvent différer notablement de la demande du marché.

0

MARCHÉ FRANÇAIS

PÉTROLE BRUT SAHARIEN (Algérie)

Gaz

Gaz

Essences

Coupes

PÉTROLE BRUT ARABE LÉGER (Arabie Saoudite)

PÉTROLE BRUT SAFANUYAH (Arabie Saoudite)

10 20

essences

30 40 50 60

Produits

Coupes

intermédiaires

intermédiaires

Produits

Coupes

lourds

lourdes

DENSITÉ

0,806

0,855

0,893

°API

44

34

27

TENEUR EN SOUFRE % Poids

0,2

1,7

2,8

70 80 90

02083_A_F

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D PPC 047 A

100 % poids

B 2 -1

3

•

LES PÉTROLES BRUTS se présentent sous la forme de liquides plus ou moins visqueux dont la couleur varie du brun au vert foncé.

•

Ils sont principalement constitués d'HYDROCARBURES, c'est-à-dire de corps composés de CARBONE et d’HYDROGÈNE.

•

Carbone et hydrogène font toute la valeur des pétroles bruts car ce sont des éléments combustibles. Ils se combinent à l'oxygène de l'air en libérant de grandes quantités d'énergie que l'on peut récupérer sous forme d'énergie mécanique (CARBURANT) ou d'énergie thermique (COMBUSTIBLE).

•

Un certain nombre d'hydrocarbures présents dans les pétroles bruts renferment en plus du carbone et de l'hydrogène d'autres éléments chimiques.

•

Ces éléments supplémentaires sont considérés comme des impuretés : il s'agit surtout du SOUFRE mais aussi de l'AZOTE, de l’OXYGÈNE et de certains métaux comme le NICKEL et le VANADIUM.

•

La recherche des proportions des différents éléments présents dans les pétroles bruts conduit au résultat suivant :

CARBONE

84 à 87 % en masse

HYDROGÈNE

11 à 14 % en masse

SOUFRE

0,04 à 6 % en masse

OXYGÈNE

0,1 à 0,5 % en masse

AZOTE

0,1 à 1,5 % en masse

MÉTAUX

0,005 à 0,015 % en masse soit 50 à 150 g/t

•

Le VANADIUM constitue plus de 75 % de la teneur globale en métaux.

•

Les PÉTROLES BRUTS sont aussi accompagnés d'impuretés provenant du gisement ou du transport. Il s'agit de sédiments : sable, débris divers, rouille, d'eau et de sels minéraux.

EAU ET SÉDIMENTS

0,1 à 0,6 % volume

SELS MINÉRAUX

20 à 200 g/t

02083_A_F

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B 2 -1

4

4-

TRAITEMENTS DE RAFFINAGE Tous les pétroles bruts traités dans une raffinerie subissent un premier traitement de séparation qui permet d'obtenir des coupes pétrolières dont les volatilités se rapprochent de celles des produits commerciaux : coupe Gaz, coupes Essence, coupes produits intermédiaires, coupes de produits lourds. Ces séparations sont réalisées dans des unités de fabrication appelées distillation atmosphérique, distillation sous vide, séparation des gaz et essences. COUPES PÉTROLIÈRES

Gaz de raffinerie

SÉPARATION

Propane Butane

COUPES GAZ

DES GAZ ET DES ESSENCES

Essence légère Essence lourde

COUPES ESSENCES

Kérosène

COUPES PÉTROLES BRUTS

DISTILLATION

DE PRODUITS

ATMOSPHÉRIQUE Gazoles

INTERMÉDIAIRES

Distillat

COUPES

DISTILLATION Résidu sous-vide

LOURDS

D PCD 058 A

DE PRODUITS

SOUS VIDE

Les coupes obtenues sont en général au nombre d'une douzaine, leur nature et leur appellation diffèrent selon les sociétés. Ces coupes ne répondent pas aux exigences du marché des produits pétroliers, ni en qualité, ni en quantité.

02083_A_F

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B 2 -1

5

La raffinerie doit être équipée de deux types d'installations dont l'objectif principal est : – –

ou bien d'améliorer les qualités de certaines coupes pétrolières pour en faire des bases utilisables pour constituer les produits finis, ou bien de modifier les rendements des différentes coupes pétrolières obtenues à partir des bruts traités afin de produire les quantités de produits commerciaux exigées par le marché.

L'ajustement des qualités, hors la fabrication des bases huiles, concerne essentiellement l'indice d'octane des essences et la teneur en soufre des produits intermédiaires. l'amélioration de l'indice d'octane est obtenue par le traitement de la coupe essence lourde dans l'unité de reformage catalytique qui produit une base à haut indice d'octane appelée réformat.

Coupe

UNITÉ DE RÉFORMAGE

essence lourde

CATALYTIQUE

–

Essence à haut indice d'octane

D PCD 059 A

–

ou reformat

l'abaissement de la teneur en soufre qui est souvent trop élevée dans les coupes de produits intermédiaires est obtenue dans l'unité de désulfuration des gasoils.

Hydrogène Produit intermédiaire

Coupe à haute

UNITÉ DE DÉSULFURATION

Coupe

teneur en soufre

DES GASOILS

désulfurée

Soufre

D PCD 060 A

Produit intermédiaire

L'ajustement des quantités est obtenu dans certaines unités de conversion comme le craquage catalytique qui transforme une coupe de produit lourd essentiellement en essence à bon indice d'octane mais aussi de gaz et produits intermédiaires (diluant catalytique).

Gaz UNITÉ DE CRAQUAGE CATALYTIQUE

produits lourds (distillat)

Essence de craquage à indice d'octane moyen

F.C.C.

Gasoil / distillat

D PCD 061 A

Coupe de

Résidu sous-vide

UNITÉ DE

Résidu viscoréduit

a viscosité élevée

VISCORÉDUCTION

à plus faible viscosité

02083_A_F

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D PCD 062 A

Certaines unités ont une double fonction comme le viscoréducteur qui abaisse la viscosité du résidu sous-vide tout en diminuant la quantité de fuel lourd fabriqué par la raffinerie.

B 2 -1

6

5-

LA CONSTITUTION ET LE CONTRÔLE DES PRODUITS FINIS Les traitements de raffinage permettent, à partir des pétroles bruts, d'obtenir des bases qui ont des caractéristiques bien particulières et qui sont donc stockées dans des réservoirs séparés. Un produit pétrolier commercial est constitué par le mélange en proportions judicieuses de différentes bases et par l'incorporation d'additifs. L'expérience dans la pondération des caractéristiques des bases permet de connaître les différentes proportions à utiliser pour le mélange. Le mélange peut être réalisé de diverses façons et, en particulier, "en ligne", un calculateur ajustant en continu les proportions des différentes bases intervenant dans l'élaboration du produit. Ainsi la constitution d'un supercarburant sans plomb peut être effectuée par exemple à partir de 6 bases différentes :

BUTANE

Réservoirs de stockage des BASES

Additifs

ISOMÉRAT SUPERCARBURANT REFORMAT

RÉSERVOIR DE PRODUIT FINI ESSENCE DE CRAQUAGE

D PPC 2033 A

ALKYLAT

MTBE-ETBE

Le produit fini ainsi constitué est échantillonné et sa qualité est contrôlée par le laboratoire de la raffinerie qui en autorise l'expédition. Le contrôle de ces propriétés est réalisé par des essais normalisés qui correspondent soit à des mesures de propriétés physico-chimiques, soit à des essais de simulation dans lesquels on place le produit dans des conditions simulant son utilisation. Les exigences de qualité pour les produits se traduisent alors par des spécifications portant sur les résultats des mesures obtenues par les essais normalisés. 02083_A_F

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B 2 -1

7

LA RAFFINERIE : ORGANISATION GÉNÉRALE UNITÉS DE FABRICATION

PÉTROLE BRUT 16

15

1

2

15

21

4

3

PRODUITS SEMI- FINIS ET PRODUITS FINIS

5

20

1

Installations de commande des pipes d'arrivée de brut

2

Stockage pétrole brut

3

Unités de fabrication et leurs utilités

4

Salle de contrôle des unités et mélanges

5

Chaudière

6

Stockage carburants

7

Stockage gasoil

22

7

18

17

8

6

10

8

19 10

EXPÉDITION 14

7

7

11 9

12

8

Stockage fuel-oil

15 Traitement des effluents

9

Stockage bitumes

16 Décantation finale des eaux

10 Mélanges produits blancs

17 Bureaux

11 Mélanges bitumes

18 Restaurant

12 Chargement route

19 Magasin et laboratoire

13 Chargement fer

20 Sécurité et infirmerie

14 Oléoducs pour expédition par voie

21 Arrivée de l'énergie électrique

fluiviale

02083_A_F

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22 Torche

D PCD 064 A

6-

rient

RUSS VENEZU IE EL MEXIQU A E

Autres p ays

Mer du N

ord

NIGERIA - GABON ALGERIE - CONGO - LIBYE

Afrique

ARABIE IRA KOWEIT - K - IRAN QATAR

Moyen o

BRUTS

PÉTROLES

02083_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Huiles de base Paraffines - cires

Autres produits

Bitumes

white spirit essence aviation

Essence spéciales

Naphtas (pétrochimie)

HTS BTS TBTS

Pétrole lampant Diesel marine léger Fuels spéciaux Coke de pétrole

Fuels lourds

Gazole moteu r Fuel oil domestique

Carburéacteur

Jet A1

Gaz de Pétro le Liquéfiés Carburants auto

OBJECTIFS DU RAFFINAGE

.. . . .. . . .. . . .. . ..

Supercarburant sans plomb

Supercarburant

Butane

Propane

CIRES

PRINCIPAUX PRODUITS PÉTROLIERS

CIRES

8

B 2 -1

D PCD 044 A

B 2 -1

9

PRINCIPAUX CRITÈRES DE QUALITÉ DES GRANDS PRODUITS PÉTROLIERS GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS

Composition

Volatilité CARBURANTS-AUTO

CARBURÉACTEUR

INDICES D'OCTANE

Qualité d'utilisation : démarrages, reprises, encrassement moteur.

RON et MON

Aptitude à une combustion sans cliquetis dans le moteur à allumage commandé.

Composition

Sécurité

Qualité de la combustion

Aptitude à une combustion sans risques de détérioration des turbines de réacteurs.

TENUE AU FROID

Aptitude à rester liquide à basse température en altitude.

JET A1

GAZOLE MOTEUR

Sécurité de fonctionnement des installations

% SOUFRE

FUEL OIL

Pollution

TENUE AU FROID

Aptitude à rester liquide à basse température

Indice de cétane

Aptitude à la combustion dans un moteur Diesel (démarrage, bruit, …)

DOMESTIQUE

VISCOSITÉ FUELS LOURDS

HUILES DE BASE MOTEURS

% soufre

Viscosité Indice de viscosité Tenue au froid Pénétrabilité

Aptitude à la pulvérisation

Pollution, corrosion

Aptitude à la lubrification dans toutes les conditions d'utilisation

"Dureté" du bitume

BITUMES Ramollissement

Tenue en température

02083_A_F

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B 2 -1

10

GAMMES D'HYDROCARBURES DANS LES PRODUITS PÉTROLIERS

°C

GAZ + GPL

- 200 G.N.L.

- 100

BUTANE COMMERCIAL

NAPHTA POUR PÉTROCHIMIE

PRODUITS INTERMÉDIAIRES

C2

PROPANE COMMERCIAL

SUPER CARBURANTS

ESSENCES

GPL CARBURANT

GAZOLE MOTEUR FUEL-OIL DOMESTIQUE

CARBURÉACTEUR JET A1

C3 C4 C5 C6 C7 C8

C11

0

+ 100

+ 200

C14 + 300

Gamme des Produits

C25

+ 400

C35

+ 500

C55

+ 600

Température d'ébullition et nombre d'atomes de carbone dans les hydrocarbures

02083_A_F

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D PCD 301 A

FUELS LOURDS

BITUMES

HUILES DE BASE

PARAFFINES

C20

CIRES

PRODUITS LOURDS

C1

Information Amont - Aval - Transport

INFORMATION AVAL

B2

PRINCIPE DU VAPOCRAQUAGE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - BUT DU VAPOCRAQUAGE...................................................................................................... 1 II - PRINCIPE DU VAPOCRAQUAGE............................................................................................ 1 1 2 3

-

Caractéristiques de réactions du procédé .................................................................................................. 1 Mise en œuvre du procédé ......................................................................................................................... 1 Rendement du vapocraquage .................................................................................................................... 2

III - PRINCIPAUX DÉBOUCHÉS DE L'ÉTHYLÈNE ET DU PROPYLÈNE ..................................... 3

PLANCHE : Productions associées à un vapocraqueur de 450 000 t/an d'éthylène

PC VAP - 02084_A_F - Rev. 0

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26/01/2005

-2

1

I-

BUT DU VAPOCRAQUAGE Le vapocraquage ou craquage à la vapeur ou encore steam cracking est le procédé de base de la pétrochimie. En effet, à partir d'éthane, provenant des gisements de gaz naturel, de gaz de pétroles liquéfiés, de coupes pétrolières variées : naphtas, gazoles et parfois distillats sous-vide obtenues par fractionnement des pétroles bruts, le vapocraquage fournit de l'éthylène, du propylène et selon la charge utilisée des quantités notables de butadiène et d'essences riches en hydrocarbures aromatiques. Tous ces composés constituent les matières premières des industries productrices de matières plastiques, de résines, de fibres, d'élastomères, de détergents, etc.

II -

PRINCIPE DU VAPOCRAQUAGE 1-

CARACTÉRISTIQUES DES RÉACTIONS DU PROCÉDÉ Les caractéristiques des réactions chimiques mises en jeu pour produire les hydrocarbures insaturés font apparaître les contraintes suivantes :

2-

-

pression faible pour favoriser la production d'insaturés

-

apport très important de chaleur à un niveau de température très élevé pour porter la charge et la maintenir au niveau thermique nécessaire aux réactions

-

temps de séjour très court et trempe efficace pour éviter la dégradation des produits formés et leur évolution vers le coke

MISE EN ŒUVRE DU PROCÉDÉ La technique adoptée pour répondre à ces différents impératifs est celle du "craquage à la vapeur". Elle consiste à faire passer dans un serpentin placé dans un four la charge préalablement mélangée à de la vapeur d'eau. Portés à haute température, les hydrocarbures sont craqués. Dans cette technique le rôle de la vapeur d'eau est essentiellement d'abaisser la pression partielle des hydrocarbures présents dans le serpentin du four, cette dilution limite également les réactions parasites conduisant en particulier à des dépôts de coke à l'intérieur des tubes du four. Après une trempe brutale les produits résultants sont séparés par distillation. On obtient une panoplie de produits allant de l'hydrogène et du méthane au fuel très aromatique.

02084_A_F

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B 2 -2

2

B 2 -2

Eau + Vapeur Fumée

CHARGES NAPHTA GPL …

HYDROGÈNE MÉTHANE ÉTHYLÈNE ÉTHANE PROPYLÈNE BUTÈNES-BUTADIÈNE ESSENCE FUEL

SÉPARATION

VAPEUR D'EAU Brûleurs FOUR DE PYROLYSE

D MEQ 2682 A

CHAUDIÈRE DE TREMPE Eau

Schéma de principe du vapocraquage

3-

RENDEMENT DU VAPOCRAQUAGE Le schéma ci-dessous représente la gammme des rendements types obtenus à partir de craquage de naphta. % masse

MÉTHANE

10 20 ÉTHYLÈNE NAPHTA Hydrocarbures en C5-C6-C7 principalement

30

COUPE C2

40 ÉTHANE 50 60 70

PROPYLÈNE

COUPE C3

BUTADIÈNE 1 - 3 AUTRES C4

COUPE C4

ESSENCE 90 100

FUEL

D PPC 095 F

80

Exemple de rendements obtenus après craquage de naphta 02084_A_F

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3

L'hydrogène peut, après séparation, être utilisé dans des installations d'hydrogénations sélectives des effluents craqués (coupe C2, coupe C3, coupe C4, coupe essence) : – le méthane est un excellent combustible pour les fours de vapocraquage – la coupe C2 représente l'effluent le plus important et contient surtout de l'éthylène – la coupe C3 est très riche en propylène – la coupe C 4 est constituée à peu près pour moitié de butadiène 1-3. Elle contient également en proportions notables de l'isobutène et du butène 1 – la coupe essence (C5 à C10 ) est très riche en hydrocarbures aromatiques et en dioléfines. La partie C6 de cette essence est notamment riche en benzène que l'on peut purifier – le fuel très aromatique est un combustible lourd de médiocre qualité.

III - PRINCIPAUX DÉBOUCHÉS DES PRODUITS DU VAPOCRAQUAGE Les principaux débouchés des produits issus du vapocraquage sont résumés planche suivante.

02084_A_F

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B 2 -2

1460

NAPHTA

pyrolyse

Fuel de

450

PROPYLENE 220

02084_A_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

COUPE ESSENCE 305

BENZÈNE AUTRES UNITÉS PRODUCTRICES

COUPE C4 125

VAPOCRAQUAGE

Fuel Gas

H2 +

Flux en 1000 t/an

ETHYLENE

+

EXTRACTION BENZÈNE

Raffinat 1

COUPE C4

EXTRACTION BUTADIÈNE

+

+ 85

85

COUPE ESSENCE SANS BENZÈNE

BENZÈNE

Coupe Raffinat 2

55

UNITÉ DE VALORISATION ISOBUTÈNE

BUTADIÈNE

PVC 150

UNITÉ DE VALORISATION AUTRES BUTÉNES

ISOBUTENE

33

STYRENE 115

POLYPROPYLENES 105 ACRYLONITRILE 36 ALCOOLS OXO 23 OXYDE DE PROPYLENE 26 CUMENE 44

OXYDE D'ÉTHYLENE

ETHYLBENZENE

CHLORURE DE VINYLE

POLYETHYLENES 245

PRODUCTIONS ASSOCIÉES A UN VAPOCRAQUEUR DE 450 000 t/an D'ÉTHYLENE

11

26

AUTRES APPLICATIONS

C RÉSIDUAIRE 4 CYCLOHEXANE

AUTRES BUTENES

AUTRES

POLYBUTADIÈNE

CAOUTCHOUC SBR

ACETONE

PHENOL

AUTRES

FIBRES ACRYLIQUES

PLASTIQUES ABS

AUTRES

CAOUTCHOUC SBR

POLYSTYRENES

— Planche n° 1 —

4

B 2 -2

D PCD 142 B

Information Amont - Aval - Transport

INFORMATION TRANSPORT

B3

TRANSPORT MARITIME DU PÉTROLE BRUT ET DES PRODUITS FINIS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES ....................................................................................... 1 II - RÈGLES DE CONSTRUCTION DES NAVIRES ....................................................................... 2 1 2 3 -

Convention Marpol .......................................................................................................................2 Navires antérieurs à 1982 ............................................................................................................ 2 Principales évolutions de la construction...................................................................................... 2

III - EXPLOITATION D’UN NAVIRE................................................................................................. 3

Ce document comporte 4 pages PP STT - 01949_B_F - Rév. 1

26/01/2005 „ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-1

1

I-

B 3 -1

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES Il existe plusieurs catégories de navires qui se différencient soit par des caractéristiques nautiques soit par des caractéristiques techniques ou des options, décisions techniques prises lors de la construction en fonction des trafics que l’on souhaite exercer. Parmi les navires pétroliers on utilise souvent les termes suivants qui désignent les différentes classes de tankers en fonction de leur taille. Navires

Caractéristiques

Handy size

Navire travaillant généralement sur les raffinés pouvant accéder à la plupart des ports pétroliers. De 5000 à 50000 tonnes.

Panamax

Navires entre 55000 et 70000 tonnes, longueur maxi de 274,3 m, largeur maxi de 32,2 m (conditions dictées par le passage du canal de Panama)

Aframax

Navires entre 80000 et 120000 tonnes (Average Freight Range Assessment. Navires entre 80000 et 120000 tonnes. Ces tankers sont principalement utilisés sur des transports de brut sur des courtes et moyennes distances et pour des ports aux tirants d’eau admissible limités. Ils permettent également le franchissement du détroit des Dardanelles. Ces navires sont encore appelés classe 6 ou 7 en fonction du tonnage.

Suez Max

Désigne la catégorie susceptible de passer le canal de Suez (20 m de tirant d’eau), mais celle-ci évolue dans le temps en fonction de l’approfondissement du canal. En général c’est la catégorie des navires de 120000 à 150000 tonnes, voire 200000 tonnes.

Very Large Crude Carrier (VLCC)

Navires de 200000 à 320000 tonnes. 20 à 25 m de tirant d’eau, 60 m de large.

Ultra Large Crude Carrier (ULCC)

Navires au-delà de 320000 tonnes.

01949_B_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

2

II -

B 3 -1

RÈGLES DE CONSTRUCTION DES NAVIRES 1-

CONVENTION MARPOL Les navires ont beaucoup évolué au cours des trois dernières décennies principalement suite à plusieurs accidents catastrophiques. Le référentiel en la matière sont les recommandations MARPOL (élaborées par l’Organisation Maritime Internationale) appliquées par les pays signataires de ces conventions.

2-

NAVIRES ANTÉRIEURS À 1982 Ce sont des navires de construction relativement simple et peu sophistiquée, absence de ballasts séparés, peu automatisés. C’est aujourd’hui une catégorie dont il reste de moins en moins de navires.

3-

PRINCIPALES ÉVOLUTIONS DE LA CONSTRUCTION On distingue deux catégories de pétroliers : ceux qui sont destinés au transport de produits pétroliers ou chimiques et ceux qui sont destinés au transport de brut. • Transport de produits raffinés ou chimiques En matière de construction neuve, l’évolution s’est traduite depuis les années 80 par : - la généralisation du ballast séparé sous différentes formes (SBT : Separated Ballast Tank), mais s’orientant vers la double coque (DH : Double Hull) - l’installation de système de production de gaz inerte avec la généralisation du “close loading system” - le développement de la ségrégation complète des différents espaces cargaisons avec des pompes immergées et donc la disparition de la chambre des pompes • Transport de brut (crude tanker) Les principales évolutions se sont traduites, là aussi, par les évolutions du système ballast, la généralisation des doubles fonds (DBT : Double Bottom), et depuis le début des années 80 la généralisation du système de lavage au brut permettant de parfaire les déchargements (COW : Crude Oil Washing). Compartiments remplis de gaz inertes Navigation par satellite

Eau de ballast dans la double coque

Réservoir de carburant dans un endroit protégé

Caractéristiques de construction des navires modernes

01949_B_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1663 A

Double coque

3

B 3 -1

III - EXPLOITATION D’UN NAVIRE Un navire citerne est divisé en trois zones principales : - la zone avant constituée essentiellement de la citerne de proue réservée au ballast (“Peak avant”) - la zone de cargaison où se situent les citernes (“Tanks”) et la chambre des pompes (si elle existe) - la zone arrière où se trouve la salle des machines et les aménagements de vie (Le “Château”)

"Chateau" Zones d

es citern

es 1

13

Peak avant

12

11

13 13 10

2 3 4 5

9 .7

6

4 Peak arrière 1 Passerelle de commandement 2 Timonerie 3 Logement de l’équipage 4 Cantine 5 Cuisine 6 Magasin des vivres

7 8 9 10 11

Installations de pompage Salle des machines Soute à combustible Sloptanks latéraux Citernes latérales pour eau de ballast

Zones principales d’un navire

01949_B_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1644 B

14

12 Citernes latérales de chargement du pétrole 13 Citernes médianes de chargement du pétrole 14 Conduites de chargement et déchargement

Information Amont - Aval - Transport

INFORMATION TRANSPORT

B3

TRANSFORMATION, STOCKAGE ET TRANSPORT DU GAZ NATUREL Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - TRAITEMENT - TRANSFORMATION ET TRANSPORT DU GAZ NATUREL.......................... 1 II - TRANSPORT PAR GAZODUC ................................................................................................. 2

III - TRANSPORT PAR MÉTHANIER .............................................................................................. 3 1 2 3 -

principales étapes ........................................................................................................................ 3 Liquéfaction du gaz naturel .......................................................................................................... 3 Méthanier .....................................................................................................................................5

IV - STOCKAGE CRYOGÉNIQUE DU GAZ NATUREL .................................................................. 7 V - CONVERSION CHIMIQUE DU GAZ NATUREL ....................................................................... 8

PSTT - 02103_A_F - Rév. 2

Ce document comporte 9 pages  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

18/04/2006

-2

1

TRAITEMENT - TRANSFORMATION ET TRANSPORT DU GAZ NATUREL À la sortie du puits de production le gaz contient des impuretés (H2S, CO2, eau, …) et doit donc subir un certain nombre de traitements de façon à le rendre transportable jusqu'aux lieux de consommation. Les traitements consistent : – à éliminer les composés soufrés au moyen d'une solution d'amine : procédé d'adoucissement – à éliminer l'eau par lavage au glycol pour éviter la formation d'hydrates : procédé de déshydratation – à éliminer les condensats liquides : procédé de dégazolinage – à fractionner le gaz entre : • le gaz naturel à proprement parler constitué pour l'essentiel de méthane et d'éthane (GNL) • les gaz de pétrole liquéfiés constitué de propane et de butane (GPL). Les produits ainsi obtenus peuvent être : – transportés vers les lieux de consommation : • soit par pipe-line (gazoduc) sous forme de gaz comprimé • soit par navire après liquéfaction - méthanier pour le GNL - navires spécialisés pour le transport des GPL – transformés pour le GNL • par conversion chimique pour la fabrication d'un certain nombre de dérivés • par conversion thermique pour la production d'énergie (cogénération). La figure ci-dessous schématise les différents types de transformation et les principaux moyens de transport du gaz naturel et des produits associés : PRODUCTION TRAITEMENT

TRANSPORT

EXPÉDITION

DISTRIBUTION

RÉCEPTION GAZODUC

Liquéfaction

GNL

transfert stockage GNL

stockage transfert GPL

GPL

transfert stockage GPL

stockage transfert condensats

BRUT

transfert stockage condensats

conversion chimique

PRODUITS CHIMIQUES

conversion thermique

CÂBLE ÉLECTRIQUE

Transformation et transport du gaz naturel 02103_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Regazéification

D MEQ 1749 A

PUITS GAZ

TRAITEMENT FRACTIONNEMENT

I-

B 3 -2

2

II -

B 3 -2

TRANSPORT PAR GAZODUC Une chaîne de transport par gazoduc comprend les principales étapes : – collecte des effluents provenant des différents puits – traitements du gaz pour le mettre aux spécifications de transport – compression du gaz si la pression en tête de puits est insuffisante (notamment en phase d'épuisement du gisement) – transport en conduite – recompression en cours de transport, si la distance est importante, pour éviter une chute trop significative de pression – traitement complémentaire éventuel pour mettre le gaz aux spécifications de distribution – stockage et transfert au réseau de distribution – distribution du gaz

TRAITEMENT GAZODUC GAZ NATUREL COMMERCIAL COLLECTE

COMPRESSION

STATION DE RECOMPRESSION

RÉCEPTION STOCKAGE

Chaîne de transport du gaz naturel par gazoduc

02103_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1750 A

GAZODUC GAZ NATUREL DU PUITS

3

B 3 -2

III - TRANSPORT PAR MÉTHANIER 1-

PRINCIPALES ÉTAPES Une chaîne de transport de GNL comprend les principales étapes suivantes : – traitement et transport par gazoduc jusqu'à la côte ; ces opérations sont similaires à celles qui sont réalisées dans la chaîne gazoduc – traitement du gaz produit pour le mettre aux spécifications requises pour la liquéfaction – liquéfaction du gaz, accompagnée ou non d'un fractionnement – stockage et chargement (terminal d'expédition) – transport par méthaniers – réception et stockage – regazéification

GNL

RÉCEPTION STOCKAGE

GAZ NATUREL GAZEUX

GAZ NATUREL GAZEUX LIQUÉFACTION

REGAZÉIFICATION

D MEQ 1751 A

STOCKAGE CHARGEMENT

Chaîne de transport de GNL

2-

LIQUÉFACTION DU GAZ NATUREL Comme indiqué précédemment, le gaz "sortie" du puits est préalablement débarrassé de ses impuretés (condensats, gaz acides, eau) puis fractionné de façon à éliminer les GPL (propane, butane). Le gaz naturel ainsi traité est ensuite liquéfié, stocké et transporté à la pression atmosphérique à une température voisine de la température d'ébullition du méthane (– 161,5°C). En effet, le transport sous pression du gaz naturel a été écarté pour des raisons économiques et de sécurité.

02103_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

4

TRAITEMENTS

FRACTIONNEMENT

Eau Gaz acides Condensats

D SEC 1430 A

GAZ DU PUITS

B 3 -2 GNL (-161,5 °C, 110 kPa)

LIQUÉFACTION

GPL

Schéma de principe de la liquéfaction du gaz naturel

Il existe plusieurs procédés commerciaux pour la liquéfaction du gaz naturel. Le principe consiste à comprimer le gaz puis à abaisser sa température, par paliers successifs, par compression et détente de fluides réfrigérants. La détente finale permet d'atteindre la température de – 161,5°C à la pression atmosphérique.

Cycle propane

1300 kPa

Cycle éthane

2100 kPa

Eau 140 kPa - 35°C Eau 140 kPa - 100°C

Cycle méthane

3300 kPa Eau 140 kPa - 155°C 3900 kPa

Eau

GAZ NATUREL 110 kPa 110 kPa 110 kPa

GAZ COMBUSTIBLE

PC

3800 kPa - 151°C D MEQ 1752 A

110 kPa - 161,5°C

GNL STOCKAGE Principe de la liquéfaction du gaz naturel

02103_A_F

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5

3-

B 3 -2

MÉTHANIER Le transport maritime à basse température du GNL nécessite des conceptions particulières de navires : – navires à cuves intégrées – navires à cuves auto-porteuses a - Navires à cuves intégrées (cuves membranes)

D MEQ 1754 A

Les cuves sont constituées par une membrane métallique résistant aux basses températures. Celle-ci s'appuie sur la double coque du navire par l'intermédiaire d'un isolant et d'une barrière secondaire pour étancher une fuite éventuelle de GNL.

Méthanier à cuves intégrées

D MEQ 1667 A

Membrane TGZ (technigaz)

Membrane TGZ (technigaz)

Contreplaqué Membrane extèrieure Triplex

Double coque

Réservoir à membrane (T cryogénique) 02103_A_F

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Mousse PU renforcée

6

B 3 -2

b - Navires à cuves autoporteuses

D MEQ 1755 A

Les cuves sphériques isolées s'appuient sur la coque du navire. Une barrière secondaire de sécurité est placée à la base des cuves pour protéger la coque contre une fuite éventuelle de GNL.

Méthanier à cuves auto-porteuses

Protection extérieure Descente tuyauterie

Isolant

Pompes Ballast

Cuve sphérique auto-porteuse

02103_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MEQ 1685 A

Ballast

7

B 3 -2

IV - STOCKAGE CRYOGÉNIQUE DU GAZ NATUREL Le dessin ci-dessous représente les éléments constitutifs d'un réservoir cryogénique.

Tôle d'étanchéité gaz

Coupole en béton

Plafond suspendu

Virole en béton précontraint

Tuyauteries de procédé

Panneaux d'isolation

Enduit d'étanchéité

Fondation sur pieux

Membrane gaufrée

D MEQ 1089 A

Dalle de fond

Bac de stockage cryogénique

Un bac de stockage cryogénique est composé de 2 enveloppes : - une enveloppe intérieure souple en matériau résistant aux basses températures aluminium acier à 9 % de nickel acier inoxydable ( ex : 18 % Cr /10 % Ni) pour les très basses températures. Dans le système Technigaz une membrane gaufrée confère la souplesse nécessaire pour absorber les contractions lors de la mise en froid - une enveloppe extérieure, en acier de qualité courante ou quelquefois en béton armé précontraint , qui assure la résistance mécanique Le toit intérieur est généralement plat et suspendu au toit bombé de la cuve externe.

02103_A_F

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8

B 3 -2

Entre les deux enveloppes un matériau isolant diminue l'échange thermique entre le liquide stocké et l'atmosphère . Le stockage à basse température du produit provoque en continu une légère évaporation qui permet de maintenir la température constante. Il est nécessaire de recondenser ces vapeurs pour limiter les pertes au stockage ce qui nécessite : -

V-

un compresseur dans le cas de propylène-propane un cycle frigorifique dans le cas de produits plus volatils tel que l’éthylène

CONVERSION CHIMIQUE DU GAZ NATUREL

GAZ NATUREL

Production gaz de synthèse : oxyde de carbone + hydrogène

Synthèse ammoniac urée

AMMONIAC URÉE

Synthèse méthanol alcools

MÉTHANOL ALCOOLS SUPÉRIEURS Production Éthers

Réaction Fischer-Tropsch

02103_A_F

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CARBURANT

D MEQ 1753 A

Le schéma ci-dessous résume les filières de conversion chimique les plus courantes industriellement.

Information Amont-Aval-Transport

PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE PROCÉDÉ DE DISTILLATION

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

B5

VOLATILITÉ : TENSION DE VAPEUR ET TEMPÉRATURE D’ÉBULLITION..................................... 1 FLASH D'UN MÉLANGE D'HYDROCARBURES ................................................................................ 2 PRINCIPE DE LA DISTILLATION ....................................................................................................... 3 MISE EN ŒUVRE INDUSTRIELLE DE LA DISTILLATION ................................................................ 4 PLANCHES n°1 n°2 n°3 n°4 n°5 n°6

Courbe de tension de vapeur de quelques hydrocarbures........................................................ 5 Mise en œuvre d'une séparation liquide-vapeur........................................................................ 6 Boucle de régulation .................................................................................................................. 7 Mise en place du contre-courant liquide-vapeur........................................................................ 8 Contact liquide vapeur............................................................................................................... 9 Dépropaniseur - Schéma simplifié........................................................................................... 10

DT BIN - 00006_D_F - Rév. 9

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 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

05/04/2006

-1

1

B 5 -1

VOLATILITÉ — Tension de vapeur et température d’ébullition —

•

La DISTILLATION ainsi que l'ABSORPTION et le STRIPPING sont des procédés de séparation très utilisés qui sont capables de différencier les constituants d'un mélange par leur VOLATILITÉ.

•

Les différences de volatilité entre les différents composants d'un mélange sont souvent repérées par les écarts existant entre leurs températures d'ébullition ou leurs tensions de vapeur. Ces caractéristiques apparaissent sur les COURBES DE TENSION DE VAPEUR des corps purs.

•

Les courbes de tension de vapeur tracées dans un graphique pression-température situent l'état physique du corps pur en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve.

Pression (bar) Courbe de tension de vapeur

ÉTAT LIQUIDE P 1,013 bar (pression atmosphérique normale)

•

Température (°C) Température d' ébullition normale

D TH 021 A

ÉTAT GAZEUX ou VAPEUR

Température d'ébullition

Elles permettent donc de déterminer, à pression fixe, la température de passage de l'état liquide à l'état gazeux. Celle-ci est appelée température d'ébullition. Sous la pression normale de 1,013 bar on parle de température d'ébullition normale. La Planche n°1 en annexe permet de retrouver les températures d'ébullition normales des premiers hydrocarbures.

•

Les courbes de tension de vapeur fournissent également dans une situation de stockage avec coexistence des phases liquide et vapeur la pression correspondant à la température.

=

P

BALLON

tension de vapeur du liquide

Pression

V

P t L

phase liquide

Liquide Vapeur t température (°C)

•

D TH 022 A

phase vapeur ou gazeuse

Cette pression est appelée tension de vapeur — elle dépend de la nature du produit liquide et de la température.

00006_D_F

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2

B 5 -1

FLASH D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES

•

La mise en évidence des différences de volatilité apparaît au cours d'un FLASH ou séparation liquide-vapeur réalisé en continu (Planche n°2). P

Échangeur de chaleur

Vapeur

Ballon séparateur

T

Pompe

Liquide

La séparation par flash d'un mélange d'hydrocarbures conduit au résultat suivant. 0

Vapeur

TOTAL

100

TOTAL

33,0

10

Vapeur 20

C3

30 33 44 50

78,7 °C

C4

60

Liquide 70 débit t/j

Liquide

C2 C3 C4 C5

1,1 16,7 47,5 1,7

TOTAL

67,0

80 90 C5

100

D PCD 386 A

C4 C5

3 30 65 2

1,9 13,3 17,5 0,3

17 bar

débit t/j C2 C3

C2 C3 C4 C5

C2

Vapeur

débit t/j

Liquide

•

D PCD 031 A

Mélange d'alimentation

t/j

•

Elle fait apparaître la hiérarchie des volatilités. Les constituants les plus volatils ou légers sont ceux qui se dirigent de préférence dans la phase gazeuse. Ils ont des basses températures d'ébullition et des tensions de vapeur élevées. Les constituants les moins volatils ou lourds préfèrent, au contraire, la phase liquide. Ils ont de hautes températures d'ébullition et des faibles tensions de vapeur

•

La mise en œuvre industrielle d'un tel procédé de flash en continu exige la mise en place d'instruments de mesure et de régulation pour suivre et contrôler automatiquement l'installation. La Planche n°3 illustre cet aspect.

00006_D_F

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3

B 5 -1

PRINCIPE DE LA DISTILLATION

•

La DISTILLATION permet d'amplifier la séparation précédente en réalisant -

une circulation à contre courant de deux phases liquide et vapeur à l'intérieur d'une colonne ou tour de distillation

-

des contacts entre les phases liquide et vapeur grâce à des plateaux ou des garnissages. À chaque contact la vapeur s'enrichit en constituants légers et le liquide se concentre en produits lourds

•

Le résultat obtenu est une séparation beaucoup plus fine du mélange. Le produit de tête ou distillat contient les constituants légers, le produit de fond ou résidu, les constituants lourds.

•

Appliquée au mélange précédent on obtient par exemple le résultat suivant.

TOTAL 100

TOTAL

33

0

C2

10

Distillat

20

C3

Distillat

3 29 1 -

30 33

Liquide

40

COLONNE ou TOUR DE DISTILLATION

50

Plateaux

60

Résidu

70

C4

80

Vapeur

90

Débit t/j

Produit de fond ou résidu

C2 C3 C4 C5

1 64 2

TOTAL

67

C5

100

t/j

00006_D_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PCD 032 A

3 30 65 2

C2 C3 C4 C5

Résidue

C2 C3 C4 C5

Débit t/j

;;; ;;; ;;; ;;; ;y

17 bar

Charge Débit t/j

Produit de tête ou distillat

4

MISE EN ŒUVRE INDUSTRIELLE DE LA DISTILLATION

•

La mise en place du contre courant liquide-vapeur fait apparaître la nécessité : -

d'un CONDENSEUR pour amorcer dans la colonne le flux liquide par l'intermédiaire du reflux externe injecté en tête

-

d'un REBOUILLEUR pour initier le FLUX VAPEUR par vaporisation partielle du liquide de fond de tour. L'alimentation partiellement vaporisée participe également à la constitution de ces deux flux en s'intégrant à un niveau intermédiaire dans la colonne (Planche n°4)

•

•

Le contact liquide-vapeur est obtenu par 2 moyens principaux (planche n°5) : -

sur des PLATEAUX où le flux vapeur est distribué par des clapets dans une couche de liquide coulant horizontalement

-

par des GARNISSAGES sur les légers le liquide coule sur les anneaux ou les selles en formant un film qui est léché par la vapeur ascendante

Les conditions opératoires d'une colonne industrielle — un dépropaniseur — apparaissent sur la planche n°6 : -

la pression de fonctionnement est fixée par les conditions opératoires qui règnent au ballon de reflux : c'est la tension de vapeur du produit de tête liquide. Elle est ensuite sensiblement constante dans la colonne

-

les températures dans la tour sont les températures d'ébullition des produits qui circulent : •

la température de tête est la plus basse correspondant aux constituants légers obtenus au sommet

•

la température de fond est la plus élevée correspondant aux constituants lourds obtenus en fond

L'évolution des températures dans la colonne est, en fait, le reflet des changements de composition qui se produisent de plateau à plateau -

le débit de reflux externe réinjecté en tête de colonne et la quantité d'énergie thermique dépensée au rebouilleur sont en relation avec la qualité de la séparation recherchée

00006_D_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

B 5 -1

-150

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

ne

60

is

70

u oB

e

80

ta n

n-H

e

n p ta

e

4

5

6

9 8 7

10

15

00006_D_F

 2006 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 nne e tan n ta n e e P n-P is o ne xa e n-H

2

-140 -130 -120 -110

P

a ro p

20

30

40

50

200

2

-190 -180 -170 -160

P

e lèn y rop

100

3

1

10

0

3

4

5

6

9 8 7

15

20

30

40

Pression (Atm)

ane

Mé th

50

-100

e

lèn Eth y

ne

Et ha

-200

5

B 5 -1

—Planche n°1 —

6

B 5 -1

MISE EN ŒUVRE D'UNE SÉPARATION LIQUIDE-VAPEUR — Planche n°2 — 20 °C

100 t

/h

pe Pom

ur

Mote

e C3 40 Propan 60 C Butane 4 100 TOTAL

e

Charg

Fluide

t/h

chaud ÉCH

ANG

EUR ide Liqu

u Vape

Fluide

r

t/h

45 t/h

froid r

16 ba

e Liquid

eur + vap

25 e C3 n a p o Pr 20 C4 e n a But 45 L TOTA

LON BAL EUR A R T SÉPA

80 °C

t/h

ide

Liqu

00006_D_F

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D MEQ 127 A

55 t/h

15 e C3 n a p o Pr 40 C4 e n a But 55 L A T O T

7

B 5 -1

INSTRUMENTATION - RÉGULATION — Planche n°3 — Vapeur

mesure du niveau

Charge

SALLE DE CONTRÔLE

Mesure

VARIABLE REGLÉE le niveau du ballon

LRC REGULATEUR ET ENREGISTREUR DE NIVEAU

TRANSMETTEUR DE LA MESURE

CONSIGNE DE NIVEAU par l'opérateur

Action du REGULATEUR VANNE AUTOMATIQUE

VARIABLE REGLANTE

Liquide le débit du liquide

BOUCLE DE RÉGULATION

F L P T A

1ère lettre

2ème lettre

débit niveau pression température analyseur

C régulateur I indicateur R enregistreur

3ème lettre

C régulateur

IDENTIFICATION DES INSTRUMENTS PI

TI

TI

FIC

Vapeur

PRC

Charge LRC TRC

Liquide

MISE EN ŒUVRE DE LA RÉGULATION 00006_D_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PCD 387 A

TI

8

B 5 -1

MISE EN PLACE du contre-courant LIQUIDE-VAPEUR

— Planche n°4 —

Reflux externe vapeur + distillat vapeur Vapeur de TÊTE LIGNE DE TÊTE

Fluide réfrigérant

Reflux externe

CONDENSEUR

Liquide

Condensation du reflux externe

Reflux interne BALLON DE REFLUX

Distillat ou produit de TÊTE Charge

Flux vapeur

Insertion de la charge partiellement vaporisée dans la circulation du liquide et de la vapeur

Reflux interne

REBOUILLEUR Vapeur générée au REBOUILLEUR

Liquide de FOND DE COLONNE

Résidu ou produit de fond

00006_D_F

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D PCD 038 B

Fluide de chauffage Vaporisation partielle

9

B 5 -1

CONTACT LIQUIDE-VAPEUR — Planche n°5 —

— PLATEAUX — Plateaux à 1 passe Déversoir VAPEUR Aire de passage de la vapeur Barrage LIQUIDE Clapets

∅=h

— GARNISSAGES —

h

Ø=h

h

Liquide

Lits de garnissage

Anneau Pall

Anneau Raschig

Selle de Berl

00006_D_F

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D MEQ 129 B

Vapeur

10

B 5 -1

LA SÉPARATION DES COUPES PÉTROLIÈRES PAR DISTILLATION — Principe du procédé — — Planche n°6 — 52

Température (°C) Pression (bar)

17,3

Débit (t/h) de tête Vapeur

NNE

COLO

COND

UR ENSE

liquide

36

ON BALL DE UX REFL

Cha

Prop

ane

17

e de Fluid tion éra réfrig

rge

- Bu

50

tane e Pomp

79 x Reflu

ANE PROP

35

e+ Liquid

uit d Prod

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r

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17,6

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9

n le d'u p m e Ex aniseur p dépro

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Moteu

UR

UILLE

REBO

de

Liqui 105

d

e fon

uit d Prod

27

00006_D_F

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D MEQ 131 A

ANE BUT

Information Amont - Aval - Transport

PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

FRACTIONNEMENT INITIAL DES PÉTROLES BRUTS

B5

COUPES PÉTROLIÈRES .............................................................................................................. 1 PRINCIPE DE LA DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE DU PÉTROLE BRUT .............................. 2 LE RÉCHAUFFAGE DU BRUT DANS LA DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE ............................ 3 LA COLONNE DE DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE................................................................. 4 LE DESSALAGE DU PÉTROLE BRUT .......................................................................................... 5 DISTILLATION SOUS VIDE DU RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE...................................................... 6 SÉPARATION DES GAZ ET DES ESSENCES ............................................................................. 7

Planches : Planche n°1

: DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE – Séparation des gaz et des essences –

Planche n°1A : SCHÉMA DE FRACTIONNEMENT INITIAL DES PÉTROLES BRUTS Planche n°2

: DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE – Schéma simplifié –

Planche n°3

: DESSALEUR ÉLECTROSTATIQUE – Schéma de principe –

Planche n°4

: DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE – Lutte contre la corrosion –

Planche n°5

: DISTILLATION SOUS VIDE – Schéma simplifié –

Planche n°6

: UNITÉ DE FRACTIONNEMENT DES GAZ ET DES ESSENCES – Schéma simplifié –

RA FIB - 00007_B_F - Rév. 1

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18/07/2005

-2

1

B 5 -2

COUPES PÉTROLIÈRES

• Le fractionnement initial du pétrole brut par distillation permet d'obtenir une douzaine de COUPES PÉTROLIÈRES DE BASE dont les caractéristiques seront ensuite améliorées par les installations de conversion ou d'épuration situées en aval dans le schéma de raffinage. • Les coupes pétrolières obtenues sont caractérisées simplement par l'intervalle des températures d'ébullition ou par le nombre d'atomes de carbone des hydrocarbures qu'elles contiennent. • Un exemple de découpage classique est le suivant : Gaz combustible Coupe propane Coupe butane

O°C

C1 C2 C3 C4 iC 5 C 5

Essence légère 80-90°C

Coupes essences

Essence lourde

140-145°C

Solvant

185°C

Coupe lampant

220°C à 240°C

Coupes gazoles 1 à 3 coupes

350°C à 380°C

C6 C7

Point final

à C 10 C 11 C 9 C 11 à C 13 C 14 C 13 C 14

Point final Tenue au froid

Points d'éclair

Gazole léger à

Tenue au froid

Gazole lourd C 20 C 25

Distillat atmosphérique

Coupes distillats

Distillat sous vide 1

2 à 4 coupes

Distillat sous vide 2

C 20 C 25

Couleur Teneur en métaux

550°C à 600°C

Résidu sous vide

Températures d'ébullition normales en °C

• Les coupes pétrolières portent des appellations qui peuvent varier d'une raffinerie à l'autre • La séparation de toutes ces coupes exige la mise en oeuvre de 3 opérations distinctes LA DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE du pétrole brut LA DISTILLATION SOUS VIDE du résidu atmosphérique LA SÉPARATION DES GAZ ET DES ESSENCES 00007_B_F

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D PCD 066 A

C 50 C 40 C 50 +

2

B 5 -2

PRINCIPE DE LA DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE DU PÉTROLE BRUT

• L'installation de DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE réalise la première séparation du pétrole brut et permet d'obtenir les coupes principales suivantes :

GAZ + ESSENCE 150 - 180°C KÉROSÈNE 220 - 240°C GAZOLE LEGER 320°C GAZOLE MOYEN

RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

D PCD 475 C

330 - 350°C

Température d'ébullition (°C)

• Cette première séparation est obtenue dans une seule colonne de distillation à soutirages multiples appelée : colonne de distillation atmosphérique. COLONNE DE DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

GAZ + ESSENCE

KÉROSÈNE

GAZOLE LÉGER

GAZOLE MOYEN

RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

D PCD 475 D

BRUT

• La coupe gaz + essences est obtenue en tête de la colonne, kérosène + gazoles léger et moyen sont soutirés latéralement et la coupe résidu atmosphérique sort en fond de colonne. • Cette distillation initiale du pétrole brut est conduite à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique et c'est cela qui a justifié son appellation de distillation atmosphérique. 00007_B_F

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3

LE RÉCHAUFFAGE DU BRUT DANS LA DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

— Planches 1, 1A et 2 —

• À son entrée dans l'unité le pétrole brut se trouve à la température du réservoir de stockage c'est à dire, le plus souvent, à la température ambiante. • Il doit être introduit dans la colonne atmosphérique PARTIELLEMENT VAPORISÉ et à HAUTE TEMPÉRATURE (340 - 385°C). Le débit de vapeur issu du brut doit être à peu près égal à la somme des débits des produits soutirés plus haut dans la colonne soit gaz + essences + kérosène + gazoles léger et moyen. Cela suppose un apport de chaleur important. • Cet apport de chaleur peut être, pour une part, prélevé sur les produits chauds qui quittent la colonne. • Cela est réalisé par une batterie d'échangeurs de chaleur (20 à 40 appareils et plus) regroupés sous l'appellation TRAIN D'ÉCHANGE. La température du brut, à la sortie du train d'échange n'est pas suffisante (250°C environ). • Le complément de chaleur est apporté par le FOUR ATMOSPHÉRIQUE qui amène le pétrole brut à la température désirée.

Four et train d'échange se partagent environ pour moitié l'apport de chaleur total nécessaire pour faire passer le pétrole brut de la température ambiante à un état partiellement vaporisé à haute température.

• La dépense d'énergie au four représente pourtant environ 1% masse du débit de brut traité. • La récupération de la chaleur apportée par le brut à la colonne est améliorée par des dispositifs d'extraction de chaleur de la colonne appelés REFLUX CIRCULANTS. • La puissance thermique requise pour amener les pétroles bruts à la température désirée à l'entrée de la colonne est très importante : de l'ordre de 200 MW pour une unité de 1000 t/h.

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B 5 -2

4

LA COLONNE DE DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

— Planches 1 et 2 —

• ENTRÉE DU BRUT – Le pétrole brut est introduit partiellement vaporisé vers la base de la colonne. Il en assure ainsi le rebouillage. – La zone d'entrée du brut (ou zone de flash) a pour but de séparer les débits importants de phase vapeur et phase liquide. – Il est important en particulier d'éviter que les gouttelettes liquides de résidu viennent colorer et polluer les coupes gazoles.

• SOUTIRAGES DES PRODUITS – La coupe gaz + essences est condensée en tête de colonne puis soutirée du ballon de reflux; l'autre partie du liquide du ballon retourne à la colonne pour assurer le reflux. – Le liquide qui en résulte descend de plateau à plateau dans la colonne en s'alourdissant peu à peu et il est soutiré en partie quand sa composition se rapproche de celle d'un produit recherché. – Le débit de liquide issu du brut (liquide du brut) a, de même, une composition qui se rapproche de celle du résidu atmosphérique.

• STRIPAGE DES PRODUITS – Les produits soutirés de la colonne et le liquide du brut contiennent trop de produits volatils : leur point d'éclair n'est pas correct. – Il est nécessaire de réaliser leur revaporisation partielle ce qui permet d'éliminer les produits trop volatils. Cette opération s'appelle STRIPAGE. – Le stripage est réalisé dans de petites colonnes annexes (ou strippers) pour les soutirages latéraux et dans le fond de la colonne atmosphérique pour le liquide du brut. – La revaporisation partielle est obtenue par injection de vapeur d'eau (stripage à la vapeur) ou par rebouillage (coupe kérosène) (stripage à la chaleur) – Les fractions revaporisées et la vapeur d'eau retournent dans la colonne atmosphérique. La vapeur d'eau est condensée en tête avec la coupe gaz + essences et elle est séparée par décantation dans le ballon de reflux qui comporte donc un soutirage d'eau liquide.

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B 5 -2

5

LE DESSALAGE DU PÉTROLE BRUT — Planches 3 et 4 —

• Les pétroles bruts qui sont livrés aux raffineries contiennent toujours un peu d'eau (0,1 à 0,6 % volume en général), des sels minéraux (20 à 300 grammes par tonne de brut) et des sédiments. • Les sels minéraux proviennent des puits producteurs ou d'une contamination par l'eau de mer pendant le transport; ils sont constitués essentiellement de chlorure de sodium, de magnésium et de calcium et présentent deux inconvénients principaux : -

comme les sédiments, ils encrassent les échangeurs de chaleur de préchauffe du pétrole brut

- certains d'entre eux (chlorure de calcium et de magnésium) subissent une hydrolyse à haute température qui génère du gaz chlorhydrique (HCl). Celui-ci, dès lors qu'il se trouve en présence d'eau liquide se transforme après solubilisation, en acide chlorhydrique très corrosif pour les matériaux métalliques en présence d'eau (tête de colonne et condenseur). L'opération de DESSALAGE réalisé dans pratiquement toutes les installations de distillation atmosphérique qui vise à éliminer l'eau, les sédiments et les sels minéraux contenus dans les bruts. Le dessalage est intégré dans le train d'échange et comporte les 3 phases suivantes : - lavage du brut avec de l'eau de dessalage pour extraire les sels minéraux. Il en résulte une émulsion de petites gouttelettes d'eau salée dans le brut. - grossissement des gouttelettes d'eau par éléctrocoalescence dans un champ électrique aménagé à l'intérieur d'un ballon horizontal appelé ballon dessaleur. - séparation eau-brut par décantation dans le même ballon dessaleur. Le pétrole brut dessalé, moins dense, est évacué au sommet du ballon. L'eau est soutirée à la partie inférieure. • Une bonne efficacité de l'opération de dessalage nécessite : -

une température assez élevée (110°C à 150°C), et cela d'autant plus que le brut est plus lourd et plus visqueux, afin de faciliter la décantation eau-brut

- une injection d'eau représentant de 3 à 8 % en volume par rapport au brut, selon la difficulté de dessalage du brut - un temps de séjour du brut assez long (20 à 30 minutes) dans le ballon dessaleur ce qui explique ses dimensions relativement imposantes -

l'aide éventuelle d'un désémulsifiant

• Toutefois, l'efficacité du dessalage n'étant pas totale, il est nécessaire de lutter, en aval dans l'unité, contre la formation inévitable d'acide chlorhydrique. On procède pour cela à 2 injections principales : - INJECTIONS DE SOUDE dans le train d'échange pour transformer HCl en chlorure de sodium stable - INJECTION D'AMMONIAC ou autre produit neutralisant dans les zones ou l'eau est susceptible de se condenser (tête de colonne et système de condensation) 00007_B_F

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6

DISTILLATION SOUS-VIDE DU RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

— Planche 5 —

• L'installation de DISTILLATION SOUS VIDE (DSV) a pour but de séparer le résidu atmosphérique en plusieurs coupes pétrolières. Le découpage réalisé dépend de la composition du résidu atmosphérique et des utilisations ultérieures des différentes coupes obtenues. • Ces utilisations répondent actuellement à 3 objectifs principaux : -

Fabrication des BITUMES

- Élaboration de DISTILLATS destinés à être valorisés par le craquage catalytique ou l'hydrocraquage -

Fabrication des HUILES DE BASE

• Dans tous les cas, le fractionnement est obtenu dans une colonne de distillation à soutirages multiples appelée colonne de distillation sous vide parce qu'elle fonctionne à une pression très inférieure à la pression atmosphérique. L'opération sous vide permet d'abaisser les températures de distillation et d'éviter ainsi la dégradation thermique des hydrocarbures à haute température d'ébullition. • Le raffineur est intéressé par la récupération maximum de distillats et il cherche en conséquence à vaporiser au maximum le résidu à son entrée dans la colonne. Cela suppose : - une température la plus élevée possible (mais limitée aux environs de 400°C seuil de stabilité des hydrocarbures) -

une pression en fond de colonne la plus faible possible

• Le vide est assuré par un DISPOSITIF D'ASPIRATION des gaz résiduels en tête de colonne; (éjecteurs à vapeur, pompes à vide) gazole sous vide et distillats sous vide sont soutirés latéralement et le résidu sous vide est obtenu en fond de colonne. • Le résidu sous-vide (550°C à 600°C +) apparaît comme le FOND DE BARIL, valorisable comme base fuel charge de viscoréducteur et sur certains bruts comme base bitume.

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B 5 -2

7

B 5 -2

SÉPARATION DES GAZ ET DES ESSENCES — Planche 6 — • L'installation de fractionnement des gaz et essences a pour but de fractionner la coupe gaz + essences obtenues en tête de la colonne de distillation atmosphérique. • Elle est composée en général de plusieurs colonne de distillation classiques à deux produits et le schéma ci-dessous illustre un exemple des séparations réalisées. C1 C 2

PROPANE C3

C

BUTANE C4

C

3 4

180°C

C4

C4

iC 5 nC 5 C 6

DEETHANISEUR DEPROPANISEUR DEBUTANISEUR ou STABILISATION DÉISOPENTANISEUR FRACTIONNEMENT DES ESSENCES ou SPLITTER d'ESSENCE

D PCD 479 A

ESSENCE LOURDE C7 - C10/11

3

C3

C

ESSENCE LOURDE

ESSENCE LÉGÈRE C5 - C6

85°C

C1 C 2

ESSENCE LÉGÈRE

0°C

ESSENCE TOTALE STABILISÉE

COUPE GAZ + ESSENCE

GAZ COMBUSTIBLE C1 - C2

Températures d'ébullition

• La première séparation est réalisée par une colonne de stabilisation des essences ou DÉBUTANISEUR, et fractionne la coupe gaz + essences en gaz d'une part (C4 et plus volatils) obtenus en tête, et en essence totale stabilisée d'autre part, soutirée en fond. • La pression de fonctionnement de cette colonne est d'environ une dizaine de bars ce qui conduit à une température de l'ordre de 70°C en tête, et le plus souvent supérieure à 200°C en fond. • Le DÉÉTHANISEUR permet de séparer sous forme gazeuse, au ballon de tête, la coupe gaz combustible (C 1 + C2). La condensation du reflux nécessite une pression de fonctionnement relativement élevée (20 à 30 bars). • Le mélange propane-butane récupéré en fond est séparé dans le DÉPROPANISEUR permettant d'obtenir en tête une coupe propane et en fond une coupe butane. Cette colonne fonctionne à une pression de l'ordre de 17 bars. • L'essence totale stabilisée obtenue en fond du débutaniseur est dirigée vers la colonne de fractionnement des essences (SPLITTER D'ESSENCE) qui permet d'obtenir une essence légère en tête, et une essence lourde en fond. • Cette colonne fonctionne à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique (1,5 bar environ). • L'essence légère est souvent redistillée dans un DÉISOPENTANISEUR qui sépare en tête l'isopentane recherché pour de son indice d'octane. 00007_B_F

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ÉCHANGEURS

ure Eau p

sels

RS NGEU ÉCHA

POMPE

1 110 à

— Planche n°1 —

BAC de BRUT

R ALEU DESS

ÉCHANGEURS

Eau +

D PCD 1165 B

40°C

250°C

365°C

FOUR ATMOSPHÉRIQUE

COLONNE ATMOSPHÉRIQUE

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE SÉPARATION DES GAZ ET DES ESSENCES — Schéma de principe — Gaz + es essenc

es

Essenc

Gaz

NE

DU RÉSI HÉSP ATMO UE RIQ

LE GAZO D LOUR

LE GAZO R LÉGE

SÈNE KÉRO

NCE ESSE E R LÉGÉ NCE ESSE DE LOUR

BUTA

GAZ ible ust m co b ANE PROP

B 5 -2

B 5 -2 SCHÉMA DE FRACTIONNEMENT INITIAL DES PÉTROLES BRUTS

Gaz combustible 26

C2-

— Planche n°1A —

Coupe Propane C3 17

DÉÉTHANISEUR Gaz 11

C1 - C4 DÉPROPANISEUR

DÉBUTANISEUR

C3 - C4 BAC de BRUT

Gaz + essences

eau

Coupe Butane C4

C1 - C10/11 2,5

TRAIN D'ECHANGE (1ère partie)

1,5

C5 - C6

Essences

2,5

C5+

DESSALEUR

DÉISOPENTANISEUR SÉPARATION DES ESSENCES

COLONNE ATMOSPHÉRIQUE

Essence légère déisopentanisée

eau + sels

C7 - C10/11

Essence lourde Kérosène

STRIPPERS LATÉRAUX

TRAIN D'ECHANGE (2ème partie)

Gazole léger

365

Gazole moyen

2,8

FOUR ATMOSPHÉRIQUE

60 m bar

Système de vide Gazole lourd

COLONNE SOUS VIDE

Résidu atmosphérique C20/25+

Distillat

Distillat lourd Pression bar abs Température°C FOUR SOUS VIDE

400

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80 m bar Résidu sous vide

D PCD 054 A

Water

Isopentane iC5

Essence légère

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250

Four atmosphérique

Débits (t/h)

Pression (bar abs)

Température ( °C)

365

25

270

35

190

50

360

15

310

Colonne atmosphérique

Stripper fond de tour

1000

2,5 150

Vapeur

Liquidedu brut

Vapeur du brut

Stripper à vapeur

Stripper à vapeur

Stripper à chaleur

360

Vapeur

Vapeur

275

85

255

210

1,6

40

140

385

200

90

95

230

Eau

Eau

Dessaleur

KÉROSÈNE

GAZ + ESSENCE

RÉSIDU ATM.

GAZOLE MOYEN

Eau

GAZOLE LÉGER

— Planche n°2 —

D PCD 459 A

PÉTROLE BRUT

10

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE — Schéma simplifié —

B 5 -2

B 5 -2 DESSALEUR ÉLECTROSTATIQUE — Schéma de principe — — Planche n°3 —

Brut dessalé LRC

Collecteur de brut Chicanes ou déflecteurs

Clapet diffuseur

A.C.

Électrodes

Distributeur

Vapeur Brut

Eau

Eau

PDIC

Émulsion eau brut Vanne de mélange

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D PCD 480 A

Interface eau-brut

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BRUT

Vanne de mélange EAU + SELS

dissoudre les sels minéraux laver le brut

EAU DE DESSALAGE

PRÉCHAUFFE

empêcher les émulsions causées par les composés asphaltiques

neutraliser HCI

PRODUIT BASIQUE

transformer une partie des sels restants en sels de sodium stables

PRÉCHAUFFE FOUR

COLONNE ATMOSPHÉRIQUE

100 à 150°C 3 à 8 % volume/brut 20 à 30 minutes de l'ordre de 95 %

SOUDE

Température : taux d'injection d'eau : temps de séjour : efficacité de dessalage :

Conditions de dessalage

DESSALEUR

20 à 300 g/t 0,1 à 0,6 % volume

DÉSÉMULSIFIANT

Teneur en sels minéraux : Teneur en eau :

Caractéristiques des bruts à l'entrée

— Planche n°4 —

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE — Lutte contre la corrosion —

Vapeur

Protéger le métal contre l'attaque de H 2 S et HCI

INHIBITEUR

Vapeur GAZOLE

KÉROSÈNE

Vapeur

RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

EAU

GAZ + ESSENCE

Contrôle PH

D PCD 481 A

B 5 -2

RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

3

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 0,3 Vapeur

415

Grilles

Matelas métallique

53

40 mm Hg

72

10,3

395

COLONNE SOUS-VIDE

Garnissage

43

10,4

Gaz incondensables

COMBUSTIBLE

Pression (bar ou mm Hg)

Température (°C)

Débits (t/h)

Vapeur

FOUR SOUS-VIDE

572,7

Eaux acides

Slops

SYSTÈME DE VIDE

39 80

360

Over flash

371

62

207

93,3

180

17,5

60

68,2

507,7

213,6

0

294,4

64,7

— Planche n°5 —

Reflux circulant gazole

Reflux circulant distillat

Reflux interne

185,8

Reflux interne

307

185

50

DISTILLATION SOUS-VIDE — Schéma simplifié —

RÉSIDU SOUS-VIDE

DISTILLAT LOURD

DISTILLAT SOUS-VIDE VERS UNITÉ DE CONVERSION

GAZOLE SOUS-VIDE

B 5 -2

D PCD 482 B

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Gaz riche en hydrogène

230

Débits (t/h)

Température (°C)

Pression (bar abs)

210

C 1 - C 10/11

40

COLONNE DE FRACTIONNEMENT DES ESSENCES OU SPLITTER D'ESSENCE

190

1,5

120

65

Gaz C1- C4

COLONNE DE STABILISATION OU DÉBUTANISEUR

12

75

Essence totale stabilisée C5 - C 10/11

Gaz acide

Gaz + Essence

HYDROTRAITEMENT

GAZ ET ESSENCES DE DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

D PCD 359 A

115

26

C5 - C 6

Essence légère

105

C 7 - C 10/11

Essence lourde

GPL C 3 - C 4

36

17

DÉÉTHANISEUR

50

52

C1 - C 2

9

4

130

60

27

ESSENCE LOURDE vers REFORMAGE CATALYTIQUE

ESSENCE LÉGÈRE vers DÉISOPENTANISEUR

BUTANE

PROPANE

GAZ COMBUSTIBLE

— Planche n°6 —

DÉPROPANISEUR

UNITÉ DE FRACTIONNEMENT DES GAZ ET DES ESSENCES — Schéma simplifié —

B 5 -2

Information Amont - Aval - Transport

PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

HYDRORAFFINAGES ET CHAÎNE SOUFRE

B5

LE PROBLÈME DU SOUFRE DANS LES PRODUITS PÉTROLIERS ............................................... 1 LES HYDRODÉSULFURATIONS - Principe du procédé .................................................................... 2 PRINCIPALES UTILISATION DES HYDRORAFFINAGES EN RAFFINERIE .................................... 3 HYDRORAFFINAGE- Caractéristiques des procédés ........................................................................ 4 LES HYDRODÉSULFURATIONS - Intégration dans le schéma de raffinage ..................................... 5 HYDRODÉSULFURATION DES COUPES GAZOLES - Schéma simplifié......................................... 6 RÉACTEUR D'HYDRODÉSULFURATION DE GAZOLES ................................................................. 7 ÉPURATION DU GAZ ACIDE - PRODUCTION DE SOUFRE ............................................................ 8 BILAN SOUFRE D'UNE RAFFINERIE MOYENNE ............................................................................. 9 UNITÉ DE LAVAGE AUX AMINES DU GAZ ACIDE D'UNE HDS DE GAZOLES Schéma simplifié................................................................................................................................ 10 PRODUCTION DE SOUFRE (Procédé Claus) - Principe du procédé............................................... 11 TRAITEMENT DES GAZ RÉSIDUAIRES DES UNITÉS CLAUS ...................................................... 12 ÉVOLUTION DU BILAN SOUFRE DES RAFFINERIES ................................................................... 13

RA HDT - 00010_B_F - Rév. 3

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18/07/2005

-3

1

B 5 -3

LE PROBLÈME DU SOUFRE DANS LES PRODUITS PÉTROLIERS

• LES INCONVÉNIENTS DU SOUFRE -

rend les produits corrosifs rend les produits malodorants est un poison de certains catalyseurs à la combustion, produit un dégagement de SO2 polluant et de SO3 corrosif

• CONSÉQUENCES -

précautions avant certains traitements catalytiques spécifications sur les produits commerciaux. Les spécifications sont de plus en plus sévères sur les produits de type gazole et fuels lourds

• EXIGENCES DE TRAITEMENTS DE DÉSULFURATION PRODUIT

Carburants-auto

• •

Coupes essences •

Carburéacteurs

Corrosivité

- oui dans une installation d’hydrotraitement des essences Teneur en soufre des super de distillation carburants 0,005 % masse maxi depuis le 1er janvier 2005 - oui dans le futur pour les essences de FCC Teneur en soufre des coupes traitées sur catalyseur

•

Corrosivité

•

Teneur en mercaptans

Jet A1

Gazole moteur (GOM) Fuel oil domestique (F.O.D.)

-

0,005 % pour le GOM 0,2 % pour le FOD

oui pour éliminer les mercaptans - par hydroraffinage - par le procédé MEROX qui transforme les mercaptans en disulfures (solution économique qui n'enlève pas le soufre)

en 2009 : 0,001 % masse maxi pour le GOM en 2008 : 0,1 % masse maxi pour le FOD Teneur en soufre

Fuels lourds

EXIGENCES DE TRAITEMENT

CARACTÉRISTIQUES SPÉCIFIÉES

HTS ≤ 4 % TBTS ≤ 1 % 1 % maxi en 2003 pour tous les fuels

oui, nécessité de désulfurer les gazoles de distillation : 0,15 à 2 % de soufre les gazoles de craquage (FCC ou viscoréducteur) : (0,5 à 3 % de soufre) non à partir de bruts BTS oui mais traitement difficile pour les autres

00010_B_F

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ESSENCE KÉROSÈNE GAZOLE

00010_B_F

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+

+

+

Issus de pétroles bruts à haute teneur en soufre

CHARGE S

Transformation en gaz H 2S du soufre contenu dans la charge

Catalyseur au colbalt-molybdène

Forte pression d'hydrogène (60 bars sur gazole)

Température assez élevée 300 à 380°C

HYDRODÉSULFURATION

PROCÉDÉ

+

+

+

Gaz contenant de l'H 2S

Légers formés par destruction des composés sulfurés

COUPE PÉTROLIÈRE DÉSULFURÉE

PRODUITS

D PCD 046 A

LES HYDRODÉSULFURATIONS — Principe —

2

B 5 -3

3

PRINCIPALES UTILISATIONS DES HYDRORAFFINAGES EN RAFFINERIE

•

HYDROTRAITEMENT DES COUPES LÉGÈRES Il concerne généralement la coupe de tête de la distillation atmosphérique. Il a pour but de désulfurer les gaz de pétrole liquéfiés et l'essence légère et d'éliminer les poisons des catalyseurs de reformage catalytique et d’isomérisation qui sont présents dans les essences. A ces objectifs classiques s'ajoutent souvent actuellement la nécessiter de traiter des coupes légères provenant d'unités de conversion (essences craquées du viscoréducteur ou du FCC).

•

HYDROTRAITEMENT DES COUPES KÉROSÈNES Ce procédé a pour but d’éliminer les mercaptans quand la coupe kérosène est destinée à la fabrication de Jet A1. Il s’agit d’un hydrotraitement peu sévère dans la mesure où les mercaptans sont les composés sulfurés les plus facilement détruits dans le procédé.

•

HYDRODÉSULFURATION DES COUPES KÉROSÈNE ET GAZOLE Il s'agit là de l'utilisation la plus importante du procédé dans les raffineries. Elle concerne les coupes de distillation mais aussi les produits craqués, et vise à satisfaire les spécifications de plus en plus sévères de teneur en soufre du gazole moteur et du fuel oil domestique. Elle fait l'objet d'une étude détaillée dans ce qui suit.

•

HYDRODÉSULFURATION DES DISTILLATS Pour abaisser leur teneur en soufre, azote, métaux avant traitement dans une installation de conversion comme le FCC. Ce procédé permet de réduire l’impact polluant du FCC et améliore notablement ses performances. Par ailleurs, cette opération constitue la première étape du procédé d'hydrocraquage.

•

HYDROTRAITEMENT DES COUPES LOURDES (résidu, résidu atmosphérique) avant traitement dans une installation de conversion ou constitution de fuels lourds BTS. Il s'agit avant tout dans ce cas d'une hydrodémétallation et d’une hydrodésulfuration.

•

HYDROFINITION DES HUILES DE BASE Pour améliorer leurs caractéristiques de teneur en soufre, de couleur, de stabilité.

•

HYDROTRAITEMENTS SÉVÈRES DES PARAFFINES, DES CIRES, DES HUILES BLANCHES pour leur donner des caractéristiques compatibles avec les exigences pharmaceutiques ou alimentaires.

•

HYDROGÉNATION DES ESSENCES DE VAPOCRAQUEUR Pour les stabiliser par l’hydrogénation des dioléfines instables et les rendre incorporables au pool essence de la raffinerie.

00010_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

B 5 -3

4

HYDRORAFFINAGES — Caractéristiques des procédés —

TEMPÉRATURE

330 à 400°C, d'autant plus élevée que la charge est lourde

PRESSION

D'autant plus élevée que la charge est lourde - 20 à 30 bar sur des essences - 50 à 100 bar sur gazole - plus de 150 bar sur résidus

CATALYSEURS

-

HYDROGÈNE

-

MISE EN ŒUVRE DU PROCÉDÉ

MATÉRIEL

Non empoisonnés par le soufre À base d'oxydes de Cobalt et de Molybdène sur alumine, actifs après sulfuration Perdent leur activité en se chargeant de coke Appoint de gaz riche en hydrogène nécessaire car les réactions en consomment Recyclage pour empêcher la formation de coke sur le catalyseur

•

Réchauffage de la charge et de l'hydrogène pour atteindre la température de réaction

•

Réactions chimiques de désulfuration sur le catalyseur dans un seul réacteur

•

Recyclage de l'hydrogène séparé à haute pression

•

Séparation du gaz acide et purification du produit désulfuré

•

Lavage du gaz acide pour récupérer l'H 2 S avec une solution d'amine et régénération de l'amine

•

Régénération périodique du catalyseur

-

Pompes Compresseurs Four Réacteur Échangeurs - Aéroréfrigérants Ballons séparateurs

00010_B_F

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B 5 -3

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

CHARGE

DE SOUFRE

1 à 2 % MASSE

GAZOLES

COUPES

% MASSE

100

80

40

20

0

Soufre

PRODUITS

0,005 % MASSE

DESULFURÉES

GAZOLES

COUPES

GAZ RICHE EN H 2S " ESSENCE "

D PCD 052 A

consommatrices

de Les hydrodésulfurations sont productrices d'un gaz riche en H 2S qu'il est nécessaire de traiter.

Les hydrodésulfurations sont l'hydrogène produit au reformage.

- indispensable pour désulfurer les gazoles indispensables pour purifier la charge du reformage catalytique - utile pour raffiner les GPL, l'essence légère, le carburéacteur.

L'HYDRODÉSULFURATION est :

LES HYDRODÉSULFURATIONS — Intégration dans le schéma de raffinage —

5

B 5 -3

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

6,8

200

375

RÉACTEUR

* Lavage H 2 S éventuel

GAZOLES CRAQUÉS

GAZOLE DE DISTILLATION

290

Lits de catalyseur (150 tonnes)

FOUR

APPOINT DE GAZ RICHE EN H2 EX REFORMAGE CATALYTIQUE

COMPRESSEUR d’appoint

Quench

60

S = 1,5% masse

360

dont 1,2 tonne d’H2 pur 35

55

Température (°C)

Pression (bar abs.)

Débit (t/h)

BALLON SÉPARATEUR HP

BALLON SÉPARATEUR BP

Eau

40

10

*

Purge HP

Gaz riche en hydrogène

COMPRESSEUR de recyclage

40

7

S = 0,005 % masse

270

STRIPPER DE GAZOLE

260

Gaz sulfuré

HYDRODÉSULFURATION DES GAZOLES — Schéma simplifié —

193

110

Vapeur d’eau

5,1

8,7

GAZOLE DÉSULFURÉ

SÉCHEUR SOUS VIDE

0,1

Vide

"ESSENCE"

Eau

40

GAZ RICHE EN H2S

6

B 5 -3

D PCD 389 A

B 5 -3

7

RÉACTEUR D'HYDRODÉSULFURATION DE GAZOLES

Distributeur entrée

Passage canne thermométrique

Gaz Liquide Détail A

Cheminée Liquide LT

Plateau distributeur

Billes d'alumine ∅ 3/4"

150

Paniers

Lit catalytique Acier au carbone Plaquage 18 Cr 8 Ni LT 45° Billes d'alumine ∅1/4" Billes d'alumine ∅3/4"

150

Collecteur sortie D MEQ 015 A

Orifice de vidange

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 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Gaz à traiter

provenance de diverses unités

Gaz contenant de l'H2S en

Gaz acides ou gaz sulfurés :

CHARGES

H2S pur

Absorption de l'H2S

Transformation de l'H2S en soufre

Régénération de la solution d'amine pour obtenir l'H2S

Lavage des gaz avec une solution d'amine (DEA) pour récupérer l'H2S

LAVAGE AUX AMINES + UNITÉ CLAUS

PROCÉDÉ

Transformation de l'H2S en soufre Soufre

Gaz épuré

Soufre liquide pour vente à l'industrie chimique

Gaz épuré combustible pour les fours

PRODUITS

D PCD 047 A

ÉPURATION DU GAZ ACIDE — Production de soufre —

8

B 5 -3

B 5 -3

9

CHAÎNE SOUFRE BILAN SOUFRE D'UNE RAFFINERIE MOYENNE — (Raffinerie 1989) — Soufre dans les produits 68300 tonnes

BRUTS TRAITÉS 8 MILLIONS DE TONNES/AN 1,29 % MASSE SOUFRE

Soufre transformé en

103200 tonnes de soufre

H2S dans les procédés

Hydrotraitement 28320 tonnes des essences de soufre HDS des gazoles de distillation et soit craqués Craquage catalytique 30090 tonnes Viscoréducteur d’H2S etc.

Lavage aux 26620 tonnes de soufre

amines + Claus

Fumées Claus 1700 tonnes

Soufre dans les fumées (SO2) (Hors Claus)

6580 tonnes

Source : Pétrole et techniques (Sept. 93)

Soufre dans les fumées (SO2) 8280 tonnes

TRAITEMENTS DE RÉCUPÉRATION DU SOUFRE

H2S

GAZ ÉPURÉ vers RÉSEAU COMBUSTIBLE

Fumées contenant SO2

AIR

Rendement ≈ 100 % Incinération UNITÉ DE LAVAGE DES GAZ AUX AMINES

contenant de l’H2S en provenance des unités - d’hydrotraitement - d’hydrodésulfuration - de craquage thermique - de craquage catalytique - d’hydrocraquage - d’hydrotraitement d’huiles - etc.

Rendement environ 95%

Récupération complémentaire du soufre

Rendement complémentaire 4 à 4,9 %

SOUFRE LIQUIDE vers INDUSTRIE CHIMIQUE

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D PCD 050 B

GAZ à TRAITER

UNITÉ CLAUS DE RÉCUPÉRATION DU SOUFRE

Fumées ou queues de claus

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Contenant de l'hydrogène sulfuré (H2S)

GAZ à TRAITER

Teneur en H2S < 0,01 % Vol

GAZ ÉPURÉ

D PCD 390 A

33,8

14,0 12,9

H2S

C3 C4 + C5

40

18,2

8,70

100,0

5,3

14,6

H2 C1 C2

1,2

% masse

5,76

45

AMINE PAUVRE

Solution aqueuse d'amine chargée en H2S

AMINE RICHE

60

50

Solution de DEA à 20 % Masse

98

Solution aqueuse d'amine débarrassée de l'H2S

6

Absorbeur

Pompe de circulation d'amine

Échangeur

1,2

Régénérateur

100

120

(basse pression)

H2S H2O

2,5

97,5

% masse

3,02

Rebouilleur

40

UNITÉ DE LAVAGE AUX AMINES DU GAZ ACIDE D'UNE HDS DE GAZOLES — Schéma de principe —

Débit (t/h)

Température (°C)

Pression (abs.bar)

HYDROGÈNE SULFURÉ vers UNITÉ DE SOUFRE

10

B 5 -3

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2/3

3 H2S

1/3

Air

2 H2S

1 H2S

RÉACTION DE CLAUS DES 2/3 DE l'H2S AVEC LE SO2 FORMÉ

COMBUSTION COMPLÈTE D'1/3 DE L'H2S

Récupération du soufre (%)

+

1 H 2S +

2 H2S

SO2

H2 S

O2

SO2

AIR

2

3

+ chaleur +2H2O

+ H2O

+ CHALEUR

SOUFRE VAPEUR

3S

SO2

230

175

100

Soufre liquide

50

60

70

80

90

200

250

Soufre liquide

400

600

800

1200

temp. °C

1000

Etage thermique

6%

CONDENSEUR

Conversion de l'H2S en soufre en fonction de la température de réaction

Étage catalytique

230 CATALYSEUR

RÉCHAUFFEUR

FOSSE À SOUFRE

30%

CONDENSEUR

310

CATALYSEUR

RÉCHAUFFEUR

% Conversion

60%

175

=2

FOUR CHAUDIÈRE CONDENSEUR

Température (°C)

Eau

1200

Vapeur

Réactions chimiques du procédé de production du soufre

COMBUSTION DE 1/3 DE l'H2S

H2 S

T de fusion

Air

H2S

200

300

550

Temp. °C

Variation de la viscosité du soufre liquide avec la température

SO 2

INCINÉRATEUR

Soufre liquide

140

Viscosité cSt

1 100

10

100

1000

10000

100000

Soufre liquide

Gaz combustible

CONVERTISSEURS

Fumées

D PCD 391 A

PRODUCTION DE SOUFRE — Principe du procédé CLAUS —

11

B 5 -3

B 5 -3

12

TRAITEMENT DES GAZ RÉSIDUAIRES DES UNITÉS CLAUS

• But du traitement

H2 S

gaz de queue UNITÉ CLAUS

soufre ( ≈ 95)

H2 S 0,3 à 1,5 % vol SO 2 0,15 à 0,75 % + en faible proportion soufre vapeur, COS, CS2

TRAITEMENT COMPLÉMENTAIRE

gaz épuré

soufre (récupération totale 99 à 99,9 %)

• Principe des principaux procédés mis en œuvre

- Réaction Claus à basse température sur catalyseur solide - Adsorption du soufre liquide sur le catalyseur - Procédé cyclique

gaz de queue

gaz de queue

PROCÉDÉ CLAUSPOL (IFP) - Réaction Claus à basse température en phase liquide (125-135 °C) dans une solution de poléthylène glycol contenant un catalyseur - Séparation du soufre liquide par décantation

PROCÉDÉ SCOT (Shell) - Réduction du SO2 et des composés soufrés en H 2 S à 300 °C sur catalyseur Co Mo - Absorption de l'H 2S par lavage aux amines - Recyclage de l'H 2S vers le Claus

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gaz épuré vers incinérateur soufre (jusqu'à 99,5 %)

gaz épuré vers incinérateur soufre (jusqu'à 99,8 %)

gaz traité

soufre complémentaire au Claus (99,9 %) D PCD 593 A

gaz de queue

PROCÉDÉ SULFREEN (ELF Aquitaine - Lurgi)

B 5 -3

13

ÉVOLUTION DU BILAN SOUFRE DES RAFFINERIES

Raffinerie SOUFRE DANS LES BRUTS TRAITÉS 103200 tonnes

Raffinerie 1989

1989

+ traitement

8 Mt/an 1,29 % Soufre

des fumées de Claus

68300 t

Raffinerie Raffinerie 1989 2010 + traitement avec hydrodes fumées traitement de Claus des résidus + désulfura- et traitement tion de la des fumées charge FCC Claus

68300 t 57255 t

SOUFRE DANS LES

25255 t

PRODUITS 71855

SOUFRE

40730

RÉCUPÉRÉ

28320 26620

AU CLAUS

8280

SOUFRE

Claus 1700

6580 5215

DANS LES

Hors claus

6090

6580

FUMÉES

Source Pétrole et Techniques (Sept. 93)

3035 2460 1890 1620

* norme visée pour les raffineries existantes 1700 mg/Nm3

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D PCD 592 A

Teneur moyenne en SO2 dans les fumées* mg/Nm3

Information Amont - Aval - Transport

PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

REFORMAGE CATALYTIQUE - ISOMÉRISATION

B5

LE PROBLÈME DE L'INDICE D'OCTANE DES ESSENCES............................................................. 1 REFORMAGE CATALYTIQUE - Principe du procédé ......................................................................... 2 REFORMAGE CATALYTIQUE - Le catalyseur ................................................................................... 3 REFORMAGE CATALYTIQUE - Caractéristiques du procédé ............................................................ 4 REFORMAGE CATALYTIQUE - Unité semirégénérative - Schéma simplifié..................................... 5 REFORMAGE CATALYTIQUE - Schéma simplifié.............................................................................. 6 RÉACTEUR RADIAL DE REFORMAGE CATALYTIQUE ................................................................... 7 REFORMAGE CATALYTIQUE - Intégration dans le schéma de raffinage.......................................... 8 ÉLIMINATION DU BENZÈNE DANS LES REFORMATS.................................................................... 9 ÉVOLUTION DU PROCÉDÉ DE REFORMAGE CATALYTIQUE ..................................................... 10 REFORMAGE CATALYTIQUE RÉGÉNÉRATIF - IFP - Schéma de principe.................................... 11 ISOMÉRISATION - Intérêt du procédé .............................................................................................. 12 ISOMÉRISATION DES ESSENCES LÉGÈRES - Principe du procédé ............................................ 13 ISOMÉRISATION CATALYTIQUE DES ESSENCES LÉGÈRES - Schéma de principe................... 14 ISOMÉRISATION - Différents procédés ............................................................................................ 15 ISOMÉRISATION - Intégration dans le schéma de fabrication des bases carburant auto ................ 16

RA REF - 00020_A_F - Rév. 2

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18/07/2005

-4

1

B 5 -4

LE PROBLÈME DE L’INDICE D’OCTANE DES ESSENCES

• Le fractionnement initial des pétroles bruts fournit des essences à indice d'octane faible Essence légère (C5-C 6)

RON 60 à 80

Essence lourde (C7-C 10)

RON 20 à 50

• L'utilisateur a besoin de carburants à indice d'octane élevé Super sans plomb

RON 95 ou 98 MON 85 ou 87

• Les indices d'octane des essences pourraient être améliorés par l'incorporation d'ADDITIFS à base de plomb (plomb tétraéthyl et plomb tétréméthyl) mais cela n'est plus possible avec l'utilisation des pots catalytiques. • Le raffineur doit donc améliorer l'indice d'octane des essences issues des pétroles bruts.

nC5 indice d'octane RON 61,7

iC5 indice d'octane RON 92,3

nC7 indice d'octane RON 0

C7 aromatique indice d'octane RON 120

C8 naphténique indice d'octane RON 46

C8 aromatique indice d'octane RON 106

D CH 2063 A

• Cela est possible en transformant les hydrocarbures à bas indice d'octane en hydrocarbures à haut indice d'octane.

Les procédés utilisés en raffinerie sont - le reformage catalytique qui améliore l'indice d'octane des essences lourdes (C7-C10) - l'isomérisation qui accroît l'indice d'octane des essences légères (C5-C6)

00020_A_F

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00020_A_F

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nC7 Indices d'octane 0

• Riche en P et N • Bas indices d'octane

C7 jusqu'à C 10/11

ESSENCE LOURDE DE DISTILLATION

CHARGE

Transformation des hydrocarbures à bas indices d'octane en hydrocarbures à hauts indices d'octane

Grand apport de chaleur

Catalyseur au platine 70 t de catalyseur pour 100t/h de charge

Pression moyenne 10 à 25 bar

Haute température 500°C

REFORMAGE CATALYTIQUE

PROCÉDÉ

C7 aromatique Indice d'octane RON 120

+ Hydrogène

ACCESSOIRES • Gaz combustible (C 1 - C 2) • Gaz liquéfiés (C 3 - C 4) NUISIBLE • coke

VOULUS • REFORMAT à haut RON (98 - 102) • Gaz riche en HYDROGÈNE

PRODUITS

D PCD 045 A

REFORMAGE CATALYTIQUE — Principe du procédé —

2

B 5 -4

3

B 5 -4

LE CATALYSEUR

• DÉFINITION ET RÔLE D'UN CATALYSEUR - Un catalyseur est généralement un solide poreux qui se présente sous forme de bâtonnets ou de billes dont le rôle est d’ACCÉLÉRER les transformations chimiques recherchées dans le procédé. - Un catalyseur agit par sa surface : les molécules de la charge se déposent sur la surface du catalyseur dans les pores et se transforment sur cette surface. - La composition chimique du catalyseur doit être adaptée aux transformations souhaitées ce qui explique la diversité des formules catalytiques. Surface externe du grain de catalyseur

R

R

Micropores

Phase gazeuse ou liquide contenant les réactifs R

D CH 065 A

Macropores

• MISE EN ŒUVRE Charge RÉACTEUR

- Le catalyseur est disposé dans un ou plusieurs réacteurs dont on peut ajuster les conditions de fonctionnement (température, pression, …) pour obtenir les transformations souhaitées.

Catalyseur

Produits vers séparation

D PCD 588 B

- La charge traverse les réacteurs et les réactions chimiques se font au sein des grains ou billes de catalyseur

• CATALYSEUR DE REFORMAGE CATALYTIQUE - Il est constitué par de l'alumine chlorée sur laquelle sont dispersés des métaux (Platine, Rhénium, …) - Son prix est très élevé (environ 1000 F/kg) et il faut en utiliser environ 70 tonnes dans une unité qui traite 100 t/h de charge - Il est très sensible à des poisons tels que : • le SOUFRE et l'AZOTE qui doivent être éliminés préalablement • le COKE qui se dépose sur le catalyseur et réduit son efficacité. Le coke doit être éliminé périodiquement 00020_A_F

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4

REFORMAGE CATALYTIQUE — Caractéristiques du procédé —

• Un schéma simplifié d’une unité de reformage catalytique semirégénérative est présenté sur les planches n°1 et n°2. • La CHARGE doit être préalablement HYDROTRAITÉE pour éliminer le soufre. Elle doit contenir moins de 1 g de soufre par tonne à l'entrée de l'unité. • La TEMPÉRATURE du procédé de reformage est de l'ordre de 500°C pour obtenir les réactions chimiques désirées • PRESSION : entre 5 et 25 bar selon le procédé. Les nouveaux procédés fonctionnent à basse pression. • La production de COKE doit être limitée : on effectue pour cela une dilution de la charge par de l'hydrogène ce qui est réalisé par la mise en place d'un recyclage de l'hydrogène produit par les réactions chimiques. • Les transformations chimiques consomment beaucoup de chaleur : le procédé comporte donc plusieurs étages four-réacteur, les fours apportant la quantité de chaleur nécessaire aux réactions chimiques. • Les effluents doivent être séparés. Cette séparation est réalisée par : -

le ballon séparateur la colonne de stabilisation

• Le catalyseur doit être régénéré périodiquement (unités semirégénératives). Dans les nouvelles unités basse pression le catalyseur est régénéré de manière permanente grâce à une circulation de réacteur à réacteur. • MATÉRIEL MIS EN ŒUVRE -

pompes compresseurs fours réacteurs échangeurs - aéroréfrigérants colonne

• La planche n°3 fournit le schéma d’un réacteur de reformage catalytique de type radial.

00020_A_F

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B 5 -4

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• C7 - C10/11 • RON 20 à 50 • Riche en nP, N • Pas de S - N

CHARGE essence lourde

440

Catalyseur

18.5

500

100

470

17.5

420

FOURS

500 16.5

495

INJECTION COMPOSÉ' "CHLORÉ"

20

150

ÉCHANGEUR

SECTION CATALYTIQUE

500

40

40

BALLON SÉPARATEUR

H2 =4à6 HC

21

COMPRESSEUR

RÉACTEURS

COMPRESSEUR DE RECYCLAGE

T

240

Température (°C)

15

Gaz riche en hydrogène

80 % vol H2

COLONNE DE STABILISATION

20

75 9

Pression (bar abs.)

80

SECTION SÉPARATION

FOUR

10

1

GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS

GAZ COMBUSTIBLE

Débit (t/h)

REFORMAT • RON 98-101 • Riche en A

40

dont 2 t/h d'H2 pur

GAZ RICHE EN HYDROGÈNE

D PCD 155 A

REFORMAGE CATALYTIQUE Unité semirégénérative — Schéma simplifié —

5

B 5 -4

Four

RGE CHA CE EN ESS DE R LOU -50 0 2 N RO

D MEQ 132 B

420

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Réact

500

É

charg

e

eur

eur chang

e de Pomp

450

Four Réact

500

eur

r resseu Comp lage yc de rec

480

Four

yseur Catal

LON BAL EUR RAT SÉPA

40

18

RANT

IGÉ RÉFR

AÉRO

REFORMAGE CATALYTIQUE — Schéma de principe —

495

500

130

AT ORM REF 8 - 102 9 RON

E NE D N N O COL ISATIO BIL STA

GPL GAZ

riche Gaz gène ydro en h

6

B 5 -4

B 5 -4

7

RÉACTEUR RADIAL DE REFORMAGE CATALYTIQUE

Acier au carbone Diffuseur

Bouclier Ciment réfractaire

Acier inox Céramique

Catalyseur

Tube central Scallops

Toile métallique

D MEQ 045 A

Céramique

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C

C

C

10

8

7

CHARGE

RON 30 à 50

ESSENCE LOURDE DE DISTILLATION

C 3

% MASSE

100

80

40

20

0

C

C

10

6

H2 C C1 2 C C3 4 C 5

PRODUITS

RON 98 à 102

REFORMAT

GAZ et G.P.L.

Gaz riche en HYDROGÈNE dont 1,5 à 2 % masse H2

Le reformage catalytique consomme beaucoup d'énergie : 5 à 8 tonnes de combustible pour 100 tonnes de charge.

Le reformat est une base indispensable à la fabrication des carburants auto. Son indice d'octane dont la valeur est supérieure à la spécification compense les insuffisances d'autres bases carburant disponibles dans la raffinerie.

C'est un producteur essentiel de gaz de pétrole liquéfiés.

Le reformage catalytique produit l' hydrogène nécessaire aux hydrotraitements classiques.

D PCD 051 A

REFORMAGE CATALYTIQUE — Intégration dans le schéma de raffinage —

8

B 5 -4

D PCD 2066 A

ESSENCE TOTALE C5 - C10/11

SPLITTER D'ESSENCE

Essence lourde

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Extraction d'une coupe Benzène par fractionnement du reformat

REFORMAGE CATALYTIQUE

Élimination des précurseurs de Benzène dans l'essence lourde - Élévation du point de coupe - Amélioration de la séparation

Reformat (3 à 8 % de benzène)

COLONNE DE FRACTIONNEMENT DU REFORMAT (splitter de reformat)

ÉLIMINATION DU BENZÈNE DANS LES REFORMATS

REFORMAT LOURD vers pool carburant (< 1 % benzène)

COUPE BENZÈNE (20 à 50% benzène) - vers pétrochimie - vers hydrogénation

- vers pool carburant - vers isomérisation (< 1% benzène)

REFORMAT LÉGER

ESSENCE LÉGÈRE

9

B 5 -4

10

ÉVOLUTION DU PROCÉDÉ DE REFORMAGE CATALYTIQUE

• L'abandon des additifs à base de plomb dans les carburants-auto, et les exigences d'indices d'octane conduisent les raffineurs à accroître la sévérité de fonctionnement des unités de reformage catalytique ce qui est comme on l'a vu très préjudiciable au rendement en reformat. • Parallèlement, les unités d'hydrotraitement des raffineries sont de plus en plus consommatrices d'hydrogène pour lequel le reformage est le premier producteur. • Ces deux exigences principales ont conduit à une évolution importante du procédé de reformage depuis 20 ans dont les étapes successives sont les suivantes :

- amélioration des catalyseurs pour les rendre plus stables c'est-à-dire plus résistants à l'empoisonnement par le coke et plus sélectifs pour augmenter l'aromatisation et la production d'hydrogène - baisse de la pression de fonctionnement ce qui permet d'améliorer de façon importante les rendements en reformat et en hydrogène (moins de craquage). Parallèlement, la formation de coke est fortement accélérée - de nombreuses unités industrielles ont été ainsi modifiées pour s'adapter à une réduction de leur pression de fonctionnement - si la pression adoptée est très basse (moins de 10 bar) une modification de technologie est nécessaire pour éliminer le coke - mise en place d'une technologie régénérative (reformage régénératif) à très basse pression avec mise en place d'un système permettant la circulation et par suite la régénération en continu du catalyseur (unités dites régénératives).

• La planche n°5 montre une unité de reformage catalytique régénératif fonctionnant selon le procédé IFP. • Les nouvelles unités construites ou projetées adoptent dans la majorité des cas la technologie régénérative.

00020_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

B 5 -4

H2 (mol/mol) HC • Catalyseur

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PCD 157 A

CHARGE ESSENCE LOURDE

• Circulation catalyseur

•

Gaz de recyclage

F1

Hydrogène de réduction

45 - 60 t 100 t de charge 2 - 3 jours

3

4-5 bar abs.

Pots de lift

R1

Gaz de lift

F2

CHAMBRE DE RÉDUCTION

Elutriateur

R2

Gaz de lift

FOURS

F3

RÉACTEURS

R3

Gaz de lift

F4

R4

Gaz de régénération

N2

Gaz de régé.

Brûlage

Agent chloré

Gaz

Air

Gaz de lift

Gaz de calcination

Traitement du cata.

• Pression réaction

Gaz de recyclage vers charge

Gaz de lift

REFORMAT RON 100 - 103

GPL

GAZ RICHE EN HYDROGÈNE

RÉGÉNÉRATEUR

SEPARATION

REFORMAGE CATALYTIQUE Procédé régénératif IFP — Schéma de principe —

11

B 5 -4

12

B 5 -4

ISOMÉRISATION — Intérêt du procédé —

• Les essences légères de distillation (C5-C 6), malgré leurs indices d'octane relativement bas (60 à 80 RON), peuvent constituer des bases acceptables pour la fabrication des carburants commerciaux dans la mesure où ceux-ci peuvent contenir des additifs à base de plomb. L'exemple présenté ci-dessous montre en effet qu'elles possèdent une excellente susceptibilité au plomb qui leur confère notamment un très bon MON.

RON Plomb (g/l)

MON Plomb (g/l)

Essence légère

0,0

0,15

0,40

0,0

0,15

0,40

de distillation

74,2

82,6

89,5

73,1

81,9

89,1

• Même si ces essences légères constituent parallèlement d'excellentes charges pour les vapocraqueurs producteurs d'éthylène et de propylène, une partie importante de ces coupes doit être valorisée comme carburant auto, ce qui nécessite, dans la perspective des essences sans plomb une amélioration de leurs indices d'octane. La voie reformage catalytique théoriquement possible pour les hydrocarbures en C6, n'est pas acceptable compte tenu des spécifications de teneur limite en benzène des carburants (1 % maximum). • L'isomérisation apparaît donc comme le procédé le plus intéressant dans la mesure où elle consiste à transformer des hydrocarbures paraffiniques à chaîne droite (nP) possédant de bas indices d'octane en hydrocarbures de la même famille à chaîne ramifiée (iP) dont les indices d'octane, spécialement le MON sont nettement plus élevés. Le procédé permet d'obtenir une base à indice d'octane amélioré, l'isomérat qui de plus a la propriété d'être volatile et d'apporter un surplus d'indice d'octane dans les fractions légères du carburant. • En parallèle avec le développement des carburants sans plomb, de nombreuses raffineries ont mis en place des unités d'isomérisation des essences légères pour s'adapter aux besoins supplémentaires d'indice d'octane des carburants. • Pour augmenter la teneur en isoparaffines de l'isomérat et donc son indice d'octane le procédé est souvent mis en œuvre avec une séparation complémentaire des n-paraffines qui sont recyclées jusqu'à transformation dans la section réactionnelle (voir planche n°6).

00020_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

normal pentane iC5 RON 61,7 MON 61,9

riche en n-P indice d'octane moyen RON 60 A 80

C5 - C6

ESSENCE LÉGÈRE DE DISTILLATION

CHARGE

Transformation des hydrocarbures paraffiniques à chaine droite (nparaffines) en hydrocarbure à chaine branchée (isoparaffines) à plus hauts indices d'octane

Basse température en présence d'hydrogène 150 à 180°C Pression moyenne 20 à 40 bar Catalyseur au chlore et au platine recyclage des n-paraffines non transformées

ISOMÉRISATION

isopentane iC5 RON 92,3 MON 90,5

Faibles quantités des produits légers

Autres produits :

Base carburant riche en iso-paraffines iC5 - iC6 RON 83 - 90 selon le procédé

ISOMÉRAT

Produit principal :

PRODUITS

D PCD 2358 A

PROCÉDÉ

13

B 5 -4

ISOMÉRISATION DES ESSENCES LÉGÈRES — Principe du procédé —

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

CHARGE : ESSENCE LÉGÈRE C5 - C6 RON 70

HYDROGÈNE DU REFORMAGE CATALYTIQUE

D PCD 590 A

38

SÉCHAGE

160

RÉACTEUR 1

+

35

Platine (0,3 à 0,5 % masse)

Environ 35 t pour traiter 50 t/h de charge

Alumine chlorée (8 à 15 % de chlore)

Catalyseur d'isomérisation

SÉCHAGE

Injection de composé chloré

COMPRESSEUR

15

150

Réactions chimiques

Hydrocraquage

Hydrogénation du Benzène

Isomérisation des nP en iP

150

RÉACTEUR 2

140

ISOMÉRISATION CATALYTIQUE DES ESSENCES LÉGÈRES — Schéma de principe — Gaz C4

ISOMÉRAT RON 83 - 85 TENEUR EN iP 75 - 88 %

COLONNE DE DISTILLATION

LAVAGE À LA SOUDE

GAZ

14

B 5 -4

B 5 -4

15

ISOMÉRISATION — Différents procédés —

• SANS RECYCLAGE Légers

Hydrogène d'appoint Charge essence légère

C5 - C 6

SECTION

ISOMÉRAT DE BASE RON 83-85 environ 80 % iP 20 % nP

CATALYTIQUE D'ISOMÉRISATION

• AVEC SÉPARATION DES N-PARAFFINES Légers Hydrogène d'appoint

SECTION

SEPARATION nP-iP sur tamis moléculaires

CATALYTIQUE Charge essence légère

C5 - C 6

D'ISOMÉRISATION

ISOMÉRAT RON 85-88 100 % iP

Recyclage des n-paraffines

• AVEC SÉPARATION DES nC6 et iC6 À UN BRANCHEMENT Légers

Charge essence légère

C5 -C 6

SECTION CATALYTIQUE

DÉISOHEXANISEUR

D'ISOMÉRISATION

DIH

Recyclage des nC 6 + iC 6 à un seul branchement

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

ISOMÉRAT RON 88-90

D PCD 596 A

Hydrogène d'appoint

B 5 -4

16

ISOMÉRISATION Intégration dans le schéma de fabrication des bases carburant auto

• DÉISOPENTANISATION DE LA CHARGE i C5

ESSENCE LÉGÈRE DE DISTILLATION C5 - C6

ISOPENTANE RON 92 MON 89

DIP

ISOMÉRISATION

nC 5 - C 6

ISOMÉRAT RON 83-90 MON 82-88

essence légère déisopentanisée

• DÉISOPENTANISATION DE LA CHARGE ET ISOMÉRISATION DU REFORMAT LÉGER i C5

ESSENCE LÉGÈRE C5 - C6

ISOPENTANE RON 92 MON 89 n C5 - C 6

DIP

ISOMÉRISATION

ISOMÉRAT RON 83-90 MON 82-88

reformat léger C5 - C 6 REFORMAGE CATALYTIQUE

reformat

FRACTIONNEMENT DU REFORMAT

reformat lourd

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

REFORMAT C7+ RON 100-102

D PCD 595 A

ESSENCE LOURDE C7 - C10

Information Amont - Aval - Transport

PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE CONVERSION DES COUPES LOURDES ET PROCÉDÉS COMPLÉMENTAIRES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

B5

PROBLÈME DE LA CONVERSION ......................................................................................................... 1 PRINCIPE DES PROCÉDÉS DE CONVERSION DES CHARGES LOURDES....................................... 2 DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE CRAQUAGE DES CHARGES LOURDES ............................................. 3 CAPACITÉ DE CONVERSION (Monde) .................................................................................................. 4 VISCORÉDUCTION DES RÉSIDUS SOUS-VIDE ................................................................................... 5 UNITÉ DE VISCORÉDUCTION DE RÉSIDU SOUS-VIDE - Schéma simplifié........................................ 7 CRAQUAGE CATALYTIQUE - Principe ................................................................................................... 8 CRAQUAGE CATALYTIQUE - Caractéristiques du procédé ................................................................... 9 CRAQUAGE CATALYTIQUE FLUIDE FCC ........................................................................................... 10 LE CRAQUAGE CATALYTIQUE DANS LE SCHÉMA DE RAFFINAGE................................................ 11 CRAQUAGE CATALYTIQUE - Schéma simplifié ................................................................................... 12 L'ALKYLATION - Unité complémentaire du FCC .................................................................................. 13 HYDROCRAQUAGE DE DISTILLATS ................................................................................................... 14 UNITÉ D'HYDROCRAQUAGE - Procédés "Série Flow" - Schéma simplifié .......................................... 15 CONVERSION PROFONDE .................................................................................................................. 16 MTBE - ETBE - Intérêt ............................................................................................................................ 17 MTBE - ETBE - Principe de fabrication................................................................................................... 18 PROCÉDÉS DE PRODUCTION D'HYDROGÈNE ................................................................................. 19

RA CON - 00012_B_F - Rév. 3

Ce document comporte 20 pages

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

18/07/2005

-5

1

B 5 -5

PROBLÈME DE LA CONVERSION

• La structure du marché des produits pétroliers évolue régulièrement en faisant une place de plus en plus grande aux produits légers et intermédiaires : GPL, carburants-auto, JET A1, gazole. Parallèlement la baisse des marchés de fuels lourds réduit considérablement la part des produits lourds. • On observe en conséquence un déséquilibre quantitatif croissant entre les rendements en coupes obtenus dans la distillation des pétroles bruts et les besoins du marché.

COUPES LÉGÈRES

COUPE INTERMÉDIAIRES

10

Arabe léger

COUPES LÉGÈRES

0

10

10 PRODUITS LÉGERS (GPL-naphtas-carburant auto)

20

20

30

30

30

40

40

40 50

COUPES LOURDES

0

COUPE INTERMÉDIAIRES

50

60

60

70

70

80

COUPES LOURDES

90

100

100

38 - 41 %

50

PRODUITS INTERMÉDIAIRES (Carburéacteurs, pétrole lampant, gazole, FOD)

60

40 - 41 %

70

80

90 Brent

20

80 PRODUITS LOURDS (Fuels lourds, bitumes, lubrifiants, coke)

90 100

Marché mondial (prévisions 2010)

17 - 21 % D PPC 106 A

0

• Le raffineur doit donc transformer des coupes lourdes excédentaires valorisables essentiellement comme combustibles en coupes légères et intermédiaires utilisables comme carburants dont le marché est demandeur. • Cela est possible en transformant les hydrocarbures lourds à longue chaîne carbonée (> C20-C25) en composés légers par des réactions chimiques de craquage. Les installations de raffinage dont le but est de réaliser ce craquage sont appelées UNITÉS DE CONVERSION. • Il existe de nombreux types d'unités de conversion qui ont donné lieu à de nombreux investissements dans les années 1970 et 1980. Elles diffèrent essentiellement par la nature de la charge traitée et les conditions de mise en œuvre du craquage. Les installations qui s'attaquent au résidu sous-vide pour le transformer de manière importante en coupes légères ou intermédiaires sont qualifiées d'unités de conversion profonde. 00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Coupes lourdes

Résidus

Distillats

CHARGES

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Transformation des hydrocarbures lourds en hydrocarbures légers par craquage

Craquage thermique : Craquage par la température uniquement Craquage catalytique : Craquage en présence d'un catalyseur Hydrocraquage : Craquage en présence d'un catalyseur et d'hydrogène

CRAQUAGE

PROCÉDÉ

PROCÉDÉS DE CONVERSION DES CHARGES LOURDES — Principe —

Formation parasite de coke en quantité plus ou moins importante

Autre produit

Gaz Essences Produits intermédiaires

PRODUITS PRINCIPAUX

2

B 5 -5

D PCD 048 A

3

B 5 -5

DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE CRAQUAGE DES CHARGES LOURDES

CRAQUAGE THERMIQUE

• Procédé peu sélectif : produit beaucoup de gaz, de coke • Produits obtenus de mauvaise qualité

• Viscoréducteur (visbreaking) • Cokéfaction retardée (delayed coker) • Flexicoker (unité de conversion profonde EXXON)

CRAQUAGE CATALYTIQUE • Craquage Catalytique Fluide (F.C.C.) pour les distillats

• Procédés R2R (TOTAL-IFP), HOC, RCC pour les mélanges distillats-résidus

HYDROCRAQUAGE

• Permet de traiter des charges lourdes riches en métaux : PARTICULIÈREMENT ADAPTÉ À LA CONVERSION DES RÉSIDUS SOUS-VIDE

• Craquage plus sélectif : moins de gaz, plus d'essence, moins de coke • Essences d'assez bonne qualité, gazole médiocre • La présence du catalyseur interdit le traitement de charges riches en poisons métalliques - PROCÉDÉ ADAPTÉ À LA CONVERSION DES DISTILLATS ET DE CERTAINS RÉSIDUS

• Très bonne sélectivité de craquage - La présence d'hydrogène empêche la formation de coke • Produits légers : essences, kérosène, gazoles d'excellente qualité

• Hydroconversion de résidus sous-vide HYCON (SHELL) HYVAHL (ELF - TOTAL - IFP) LC Fining (Lummus)

• Catalyseurs exigeants quant à la pureté des charges : PROCÉDÉ ADAPTÉ À LA CONVERSION DES DISTILLATS • Procédé consommateur d'hydrogène • Procédé adaptable à la conversion profonde des résidus sous réserve de modifications technologiques très complexes et très chères

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PCD 328 A

• Hydrocraqueur de distillats

4

B 5 -5

PROCÉDÉS DE CONVERSION — Capacités mondiales —

Capacités exprimées en millions de tonnes par an

Craquage catalytique (FCC)

Viscoréduction

Cokéfaction y compris flexicoker

290,0

10,6

94,3

77,9

18,8

76,6

32,2

15,6

4,1

1,3

103,6

75,4

15,7

31,1

6,0

9,3

4,0

0,8

1,3

0,6

Moyen-Orient

13,7

17,3

3,9

25,1

13,4

Japon

38,9

—

4,0

6,5

21,5

Asie-Océanie

83,7

19,2

21,1

25,7

12,8

615,8

158,7

155,4

171,7

74,4

Amérique du Nord Amérique Latine Europe Occidentale Afrique

Total

Hydrocraquage

Hydrotraitement Hydroconversion des résidus

(Oil and Gas Journal - December 22, 1997)

Nombre de raffineries

Distillation atmosphérique Mt/an

Distillation sous vide Mt/an

Capacité unités de conversion/ Capacité DA

Amérique du Nord

191

815

420

60 %

Amérique latine

76

320

122

40 %

Europe occidentale

109

715

251

32 %

Afrique

45

146

25

11 %

Moyen Orient

44

285

95

26 %

Japon

38

248

81

29 %

Asie/Océanie

103

600

89

27 %

606

3129

1083 (Oil and Gas Journal - December 22, 1997)

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

5

B 5 -5

VISCOSITÉ DES RÉSIDUS SOUS-VIDE

• AJUSTEMENT DE LA VISCOSITÉ DES FUELS LOURDS -

Les fuels oils lourds N° 2 doivent avoir une viscosité au plus égale à 40 centistokes (cSt) à 100°C.

-

Les résidus de distillation sous-vide sont trop visqueux pour constituer directement des fuels lourds. La viscosité des fuels oils lourds est obtenue par MÉLANGE aux RÉSIDUS SOUS-VIDE TRÈS VISQUEUX de DILUANTS ou FLUXANTS peu visqueux type GAZOLE.

FABRICATION D'UN FUEL N°2 À PARTIR DE RÉSIDU SOUS-VIDE

RSV 1000 à 3000 cSt à 100°C Fuel-oil n°2 40 cSt maxi à 100°C

VERS MARCHÉ

D PPC 107 A

Fluxant gazole 1 cSt à 100°C

• LA PRODUCTION DU F.O. N° 2 CONSTITUE DE CETTE MANIÈRE EST SUPÉRIEURE à la demande du marché • Une solution possible : LA VISCORÉDUCTION DU RÉSIDU SOUS-VIDE

par diminution de la viscosité des résidus sous-vide la viscoréduction permet : -

de RÉDUIRE LA PRODUCTION de F.O. N° 2 (l'obtention de la viscosité du F.O. N° 2 nécessite une quantité plus faible de diluant ou fluxant peu visqueux)

-

d'AUGMENTER d'autant la production de GAZOLE

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

29 tonnes de gazole de dilution 1cSt à 100°C

4,5 tonnes gaz + essences

53 tonnes de gazole de dilution 1cSt à 100°C

124,5 tonnes de FO n°2 40 cSt à 100°C

153 tonnes de FO n°2 40 cSt à 100°C

• Les adaptations récentes du viscoréducteur privilégient, compte tenu de l'existence d'autres fluxants dans la raffinerie (gazole de FCC) la valorisation des produits : gazole par hydrodésulfuration et distillat par le FCC (schéma page 7)

– de diminuer la production de fuel lourd de 153 – 124,5 = 28,5 tonnes – d'économiser 53 – 29 = 24 tonnes de gazole de dilution

• Pour 100 tonnes de résidu sous-vide le viscoréducteur permet :

95,5 tonnes de gazole distillat résidu 100 cSt à 100 °C

VISCORÉDUCTION

2000 cSt À 100°C

100 TONNES DE RÉSIDU SOUS VIDE

• La construction de fuel lourd avec et sans viscoréduction correspond à l'exemple suivant (pour 100 tonnes de RSV)

• Elle correspond à un CRAQUAGE THERMIQUE modéré du RSV à 450°C environ et sans apparition de coke.

• L'unité de viscoréduction a pour but de réduire la production de fuel lourd et de permettre une économie de gazole de dilution.

• Il en résulte une production de fuel lourd trop importante et une perte financière par le déclassement de quantités élevées de gazole vers les fuels lourds. Appréciation de la qualité des produits

CHARGE

• Les résidus sous-vide très visqueux sont surtout utilisés pour fabriquer les fuels lourds.

Qualité

très bonne bonne médiocre mauvaise

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

%

Résidu sous vide craqué

Distillat

Gazole

Gaz + GPL Essence

–

–

–

–

VISCORÉDUCTION

Rendements et qualité des produits obtenus au viscoréducteur

560°C +

COUPE

SOUS-VIDE

RESIDU

++ + – ––

PRODUITS D PCD 330 C

VISCORÉDUCTION DES RÉSIDUS SOUS-VIDE

6

B 5 -5

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

RÉSIDU SOUS VIDE

• Visco 1000 à 3000 cSt

• % S élevé sur brut HTS (2 à 6 %)

•d≈1

Vapeur

FOUR DE VISCORÉDUCTION

Débit (t/h)

Température (°C)

Pression (bar abs.)

180

BALLON DE MATURATION (SOAKER)

460

330

440

9

trempe

410

COLONNE ATMOSPHÉRIQUE

1,5

130

395

Vapeur

vapeur

36

mm Hg

20

6,5

115,5

COLONNE SOUS VIDE

70

vide

Eau

2

RÉSIDU SOUS VIDE CRAQUÉ

DISTILLAT DE VISCORÉDUCTION

GAZOLE DE VISCORÉDUCTION

ESSENCE DE VISCORÉDUCTION

GAZ - GPL

D PCD 313 A

UNITÉ DE VISCORÉDUCTION DE RÉSIDU SOUS VIDE — Schéma simplifié —

7

B 5 -5

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training En présence d'un catalyseur en poudre

Produits lourds entre C20 et C50 ne contenant pas de métaux

RÉSIDUS SOUS-VIDE pauvres en métaux traités en mélange avec des distillats

A PRESSION FAIBLE < 3 bar

350°C - 550°C

Transformations obtenues

Craquage catalytique fluide des hydrocarbures F.C.C.

A HAUTE TEMPÉRATURE ≅ 500°C

DISTILLATS

Produits lourds excédentaires peu valorisables

CHARGES

PROCÉDÉ

DILUANT lourd : HCO (Heavy Cycle oil) RÉSIDU (Slurry) COKE H2 S

AUTRES :

GAZ COMBUSTIBLE DILUANT LÉGER : GAZOLE de craquage ou LCO (Light Cycle oil)

ACCESSOIRES :

GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS ESSENCE DE CRAQUAGE

SOUHAITÉS :

PRODUITS

D PCD 2357 A

CRAQUAGE CATALYTIQUE — Principe —

8

B 5 -5

9

B 5 -5

CRAQUAGE CATALYTIQUE — Caractéristiques du procédé —

•

LES PRODUITS DE CRAQUAGE CATALYTIQUE CONTIENNENT DES OLÉFINES En effet, si on considère le craquage d'une paraffine en C20 on obtient par exemple une oléfine en C8 et une paraffine en C12.

•

C8H16

Paraffine

Oléfine

•

C12H26

Paraffine

RÔLE DU CATALYSEUR -

Orienter le craquage vers la production maximum d'ESSENCE

-

Produire des essences A INDICE D'OCTANE acceptable en favorisant la formation : . .

•

+

D CH 2062 A

craquage C20H42

d'isoparaffines d'oléfines

COMPOSITION DU CATALYSEUR : SILICE-ALUMINE ACIDE -

A l'origine : Argile acidifiée

-

ensuite : SILICE-ALUMINE synthétique non cristallisée

-

Aujourd'hui ajout de silice-alumine cristallisée ou ZÉOLITHES ou TAMIS MOLÉCULAIRES

-

sous forme de poudre (grains de diamètre inférieur à 100 microns)

PRÉCAUTIONS D'UTILISATION -

Le catalyseur est empoisonné par les métaux, d'où le choix des CHARGES : . .

-

distillats essentiellement résidus à basse teneur en métaux (résidus BTM)

Son activité est très rapidement bloquée par la FORMATION DE COKE. Il faut utiliser une technologie permettant l’ÉLIMINATION CONTINUE DU COKE déposé sur le catalyseur.

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

•

Dans le RÉACTEUR, les réactions de craquage se développent au contact du catalyseur à 500°C environ. Les produits craqués sont dirigés vers une section distillation.

•

Dans le RÉGÉNÉRATEUR, le coke déposé sur le catalyseur est brûlé à 700-750°C par l'injection d'air. Le catalyseur retrouve ainsi son activité et retourne à haute température vers le réacteur.

Le coke se dépose sur le catalyseur et détruit son activité catalytique. Le catalyseur usé est dirigé vers le régénérateur.

Le catalyseur est une fine poudre constituée de silice et d'alumine qui circule, à grand débit (10 à 20 tonnes par minute), entre deux capacités : le RÉACTEUR et le RÉGÉNÉRATEUR.

catalyseur régénéré

réactions chimiques de craquage

Charges à craquer

RÉACTEUR 500 °C - 520 °C

•

Air de régénération

Réactions RÉGÉNÉRATEUR chimiques de brûlage 700 °C - 750 °C du coke

Fumées

Produits vers fractionnement craqués

• etc.

• Distillats de viscoréduction

• Résidus sous vide BTM

• Distillats ex Bruts

Appréciation de la qualité des produits

++ + --

très bonne bonne médiocre mauvaise

Coke* * autoconsommé 100

–

Gazole de FCC ou LCO

–

–

+

Essences

GAZ + GPL

HCO + Slurry

%

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

F. C. C.

Qualité

catalyseur coké ou usé

CHARGES DU FCC

RENDEMENT ET QUALITÉ DES PRODUITS OBTENUS AU FCC

PRODUITS D PCD 334 A

CRAQUAGE CATALYTIQUE FLUIDE F.C.C.

10

B 5 -5

11

LE CRAQUAGE CATALYTIQUE DANS LE SCHÉMA DE RAFFINAGE

•

PERMET LA PRODUCTION D'ESSENCE AU DÉTRIMENT DU FUEL, ET L'ALIGNEMENT SUR LA STRUCTURE DES DÉBOUCHÉS.

•

L'ESSENCE PRODUITE (50 % environ de rendement) EST DE QUALITÉ MOYENNE (RON 92 - MON 79). Elle doit subir un traitement d'adoucissement de type MEROX pour éliminer les mercaptans à odeur désagréable et corrosifs.

•

PRODUCTEUR IMPORTANT DE GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS -

LA COUPE C3 CONTIENT 70 % DE PROPYLÈNE ET 30 % DE PROPANE - LE PROPYLÈNE PEUT ÊTRE VALORISÉ POUR LA PÉTROCHIMIE

-

LA COUPE C 4 CONTIENT 50 % DE BUTÈNES QUI PEUVENT ÊTRE UTILISES POUR L'ALKYLATION OU (cas de l'isobutène) POUR LA FABRICATION DU MTBE ou de l'ETBE

•

PRODUCTEUR DE GAZOLE DE CRAQUAGE (LCO) UTILISABLE COMME DILUANT DE FUELS OU VALORISABLE APRÈS HYDROTRAITEMENT COMME BASE de qualité médiocre pour la fabrication du gazole moteur ou du fuel oil domestique

•

NÉCESSITÉ UNE DISTILLATION SOUS-VIDE POUR PRÉPARER LA CHARGE DE L’UNITÉ

•

PRODUCTION IMPORTANTE D'H2S nécessitant un lavage des gaz aux amines et une unité de production de soufre

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

B 5 -5

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

120

eau

3

930

200

catalyseur

150

7,5

coke

730

Slide valve

3,1

RÉACTEUR

CHAUDIÈRE DE RÉCUPÉRATION

COMPRESSEUR D'AIR

Autres charges résidus, distillat de viscoréducteur

CHARGE DISTILLAT SOUS VIDE

AIR

RÉGÉNÉRATEUR

PAIRE DE CYCLONES

Fines de catalyseur

CYCLONE — 3 e ÉTAGE —

TURBINE DE DÉTENTE

vapeur

530

530

vapeur

STRIPPER

120

Débits t/h

Température °C

COLONNE DE FRACTIONNEMENT

RISER

Fitre à poussière

FUMÉES DE COMBUSTION DU COKE vers ATM.

Vapeur

Vapeur

Pressions bar abs

330

LAVAGE

2,5

2,1

M

HCO

Slurry

Eau

20

COMPRESSEUR de gaz craqués

Séparation des gaz et des essences LCO

9,5

27

75

15

12

4

COUPES LOURDES (HCO + SLURRY)

COUPE GAZOLE (LCO)

COUPE ESSENCES

COUPE C4

COUPE C3

GAZ COMBUSTIBLE + H2S

D PCD 041 A

CRAQUAGE CATALYTIQUE — Schéma simplifié —

12

B 5 -5

13

B 5 -5

L’ALKYLATION — Unité complémentaire du FCC —

•

LE BUT DE L'UNITÉ EST DE PRODUIRE DE L'ESSENCE À HAUT INDICE D'OCTANE À PARTIR DES EXCÉDENTS DE GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS PROVENANT DU CRAQUAGE CATALYTIQUE (F.C.C.)

•

L'ALKYLATION consiste en la combinaison d'oléfines en C4 (BUTÈNES) avec de l'ISOBUTANE (Paraffine ramifiée en C4) pour obtenir une ESSENCE très riche en C8 "isoparaffiniques".

PROCÉDÉ

ALKYLATION

Coupe C4 de FCC environ 50% de butènes environ 50% de butanes

Addition de l'isobutane sur les butènes - à basse température - en phase liquide

Isobutane obtenu par fractionnement des coupes C 4 de DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE ET DE REFORMAGE CATALYTIQUE

- en présence d'un catalyseur = acide liquide

PRODUITS

Butane vers butane commercial ALKYLAT Base carburant en C 8 essentiellement isoparaffiniques RON 94 - 97 MON 92 - 95

HF acide fluorhydrique ou H SO acide sulfurique 2 4

D PCD 337 A

CHARGES

•

Les BUTÈNES proviennent de la "coupe C4 de F.C.C." riche en oléfines (environ 50 à 60 % volume de butènes).

•

L'ISOBUTANE est obtenu essentiellement à partir des coupes C4 de la distillation atmosphérique et du reformage catalytique. L'isobutane est séparé du n-butane par distillation dans une colonne appelée déisobutaniseur.

•

Les réactions chimiques d'alkylation sont obtenues par mise en contact d'un mélange maintenu liquide de butènes et d'isobutane avec un catalyseur liquide : l'ACIDE FLUORHYDRIQUE (HF) ou ACIDE SULFURIQUE (H 2SO4). Conditions de fonctionnement • •

•

température faible 30°C pour HF, 10°C pour H2SO4 pression suffisante pour maintenir les G.P.L. à l'état liquide

L'ALKYLAT est une base carburant-auto à haut indice d'octane.

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Par opposition au F.C.C. orienté vers la production d'essence, l'hydrocraquage fournit des coupes kérosène et gazole adaptées à la fabrication des produits intermédiaires JET A1 et carburant Diesel.

• La consommation d'hydrogène est très importante (2 à 3 tonnes pour 100 tonnes de charge). Une unité de production d'hydrogène est nécessaire pour alimenter l'hydrocraqueur. • Les produits de l'hydrocraqueur sont d'excellente qualité et de plus ils sont parfaitement désulfurés.

• La pression est TRÈS ÉLEVÉE : 150 à 200 bar

• La température de fonctionnement est de 350°C à 400°C.

– le second réacteur a pour rôle de convertir ou craquer les molécules lourdes

– le premier réacteur a une fonction d'hydroraffinage : désulfuration, déazotation, hydrogénation des composés lourds. Il utilise un catalyseur type hydrotraitement

• Dans les procédés d'hydrocraquage la charge est transformée dans deux réacteurs successifs contenant les catalyseurs.

D PCD 343 C

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training CHARGE

++ + --

100

90

après reformage Très bonne bonne médiocre mauvaise

Gazole

Kérosène

*

80 360 -

70

60

50

40

Essence

GAZ + H2S

Lourd

Léger

Rendement et qualité des produits obtenus à l'HCQ

Appréciation de la qualité des produits

380°C - 500°C

COUPE

DISTILLAT

30

20

10

0

HYDROCRAQUAGE

Qualité

HYDROCRAQUAGE DE DISTILLATS

102,5

++

++

++

+ *

14

PRODUITS

B 5 -5

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

distillat sous vide

CHARGE

FOUR

185

125

RÉACTEUR DE RAFFINAGE

420

quench

360

FOUR

Recyclage

vide

SEPARATEUR BP

SEPARATEUR HP

eau de procédé

COLONNE SOUS VIDE

420

quench

380

RÉACTEUR DE CONVERSION

COMPRESSEUR DE RECYCLAGE

60

170

M

20

C 5+

C 4-

+ H2 S

+ NH3

KÉROSÈNE

ESSENCE LOURDE

ESSENCE LÉGÈRE

BUTANE

PROPANE

GAZ

GAZOLE

COLONNE ATMOSPHÉRIQUE

DÉBUTANISEUR

SÉPARATION DES GAZ

COMPRESSEUR D'APPOINT

3,5

HYDROGÈNE FRAIS

D PCD 315 A

UNITÉ D'HYDROCRAQUAGE PROCÉDÉ "SERIES FLOW" — Schéma simplifié —

15

B 5 -5

16

CONVERSION PROFONDES

• Elle concerne les résidus sous vide et vise essentiellement - leur hydrotraitement pour réduire leur teneur en soufre et en métaux - leur conversion partielle par craquage pour générer des produits pouvant être utilisés en charge de différentes unités de la raffinerie • Elle a pour but - de réduire la production de fuels lourds tout en donnant la possibilité de fabriquer des fuels BTS - d'augmenter la production de produits légers et intermédiaires de la raffinerie • Les unités de conversion profonde nécessitent un investissement très lourd (de l'ordre de 5-7 milliards de francs) en raison : - des conditions opératoires sévères : température ~400°C - pression ~200 bar - de la nécessité d'utiliser plusieurs réacteurs permettant "le changement du catalyseur en marche" : soutirage du catalyseur saturé en métaux et appoint de catalyseur neuf - de la consommation importante d'hydrogène qui exige la mise en place d'une unité spécifique de production : vaporeformage ou oxydation partielle

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

B 5 -5

17

B 5 -5

MTBE - ETBE — Intérêt —

• La disparition des additifs à base de plomb a conduit les raffineurs à rechercher des composés nouveaux, non polluants pour les pots catalytiques, se mélangeant parfaitement avec les carburants-auto et augmentant leurs indices d'octane. • Parmi ceux-ci des composés oxygénés, les éthers notamment, - le MTBE

Méthyl Tertio Butyl Ether

- le ETBE

Ethyl Tertio Butyl Ether

- le TAME

Tertio Amyl Méthyl Ether

se sont rapidement imposés (de préférence aux alcools), pour les raisons suivantes : - très bons indices d'octane RON et MON - bonne miscibilité avec les bases carburants (taux limite d'incorporation en France 15 % en volume) - peu de modification de la volatilité des carburants - effet favorable de réduction des émissions polluantes des automobiles notamment d'oxyde de carbone CO. Cette action positive est liée à la présence d'oxygène : 15 % volume de MTBE dans un carburant correspondant à 2,7 % poids d'oxygène • L'inconvénient de ces produits est leur prix ; celui du MTBE est de 20 à 50 % plus élevé que celui du super auquel on l'incorpore. • Principales caractéristiques des composés oxygénés

MTBE

ETBE

TAME

Formule globale

CH3 – O – C 4H 9

C 2H 5 – O – C 4H 9

CH3 – O – C 5H 11

d15

0,740

0,750

0,750

t ébullition (°C)

55

72

86,3

RON

117

118

115

MON

101

102

102

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

18

B 5 -5

MTBE - ETBE — Principe de fabrication —

•

Les éléments de base nécessaires pour la fabrication du MTBE ou de l'ETBE sont : -

-

un alcool, le méthanol (CH3 – OH) ou l'éthanol (C2H5OH) •

le méthanol est un alcool industriel fabriqué à partir de charbon, de gaz ou de produits pétroliers (fuel, naphta)

•

l'éthanol peut être obtenu par fermentation de matières végétales

l'isobutène (C4H8) qui peut provenir • • • •

•

des coupes C4 de FCC (environ 10 % d'isobutène) des coupes C4 de vapocraqueur après extraction du butadiène 1-3 (50 % d'isobutène) de la déshydrogénation de l'isobutane de la déshydratation de l'alcool tertio butylique (TBA)

En raffinerie le schéma mis en œuvre est le suivant :

PROCÉDÉ CHARGES

UNITÉ MTBE ou ETBE

Coupe C4 contenant de l'isobutène

Réaction chimique sélective

MÉTHANOL (alcool industriel) ou ÉTHANOL (alcool de fermentation)

•

Méthanol + isobutène Ethanol + isobutène

C4 vers butane

MTBE ETBE

Réaction en phase liquide - Basse température ≅ 80°C - Pression moyenne ≅ 20 bar - en présence d'un catalyseur résines acides

MTBE ou ETBE vers carburants

Les capacités de production de MTBE, ETBE, TAME augmentent très vite compte tenu du développement des essences sans plomb. La production de MTBE en Amérique du Nord dépasse les 10 Mt par an. Au niveau mondial elle atteint environ 25 Mt par an. Aujourd'hui cependant l'avenir du MTBE est incertain en raison de problèmes de pollution d'eaux souterraines rencontrés en Californie. Cette pollution, marquée par la forte odeur du MTBE, est la conséquence de fuites et de la solubilité du MTBE dans l'eau. Dans cet état, l'utilisation du MTBE est frappée d'interdiction à partir du 1er janvier 2004.

00012_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PCD 339 A

• Coupe C4 du FCC • Coupe C4 du vapocraqueur

PRODUITS

B 5 -5

19

PROCÉDÉS DE PRODUCTION D'HYDROGÈNE

VAPOREFORMAGE OU STEAM REFORMING CHARGES

PROCÉDÉ

PRODUITS

VAPOREFORMAGE Hydrocarbures légers • gaz C1- C2 • propane • butane • naphta Vapeur d'eau (3 t/t)

• Réactions chimiques vaporeformage (800°C sur catalyseur) CO + H 2 CH4 + H 2O • Conversion du CO (800°C puis 350°C) CO + H 2O CO 2 + H 2

CO, CO 2, CH 4

Hydrogène 99,9 %

• Purification de l'hydrogène (sur adsorbants)

GAZÉIFICATION OU OXYDATION PARTIELLE PROCÉDÉ OXYDATION PARTIELLE Hydrocarbures lourds • Résidus • Résidus craqués • Asphalte Oxygène

• Combustion ménagée dans un brûleur (1400°C) Cx Hy + O 2 CO + H 2 • Conversion du CO CO + H 2O CO 2 + H 2

PRODUITS

CO 2, H2S vers traitement

Hydrogène 99,9 %

D PCD 323 A

CHARGES

Vapeur d'eau • Purification de l'hydrogène

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Cendres + métaux

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

COMPOSITION DE QUELQUES PÉTROLES BRUTS, CONDENSATS STABILISÉS ET GAZ NATURELS

B6

I - CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DE QUELQUES PÉTROLES BRUTS ......................... 1 Moyen Orient - France.......................................................................................................... 1 et 2 Mer du Nord.................................................................................................................................. 3 Afrique du Nord - Afrique de l’Ouest..................................................................................... 4 et 5 Amérique Latine - Amérique du Nord ...........................................................................................6 Asie - Océanie - Russie - Azerbaijan............................................................................................ 7

II - EXEMPLE DE COMPOSITION DE CONDENSATS STABILISÉS............................................ 8 III - COMPOSITION DE QUELQUES GAZ COMMERCIALISÉS .................................................... 9

RA FIB - 03353_A_F - Rév. 1

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06/04/2006

-4/A

1

B 6 -4/A

I - CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DE QUELQUES PÉTROLES BRUTS

MOYEN ORIENT Murban

Zakhum lower

Dubaï

Iran léger

Iran lourd

Basrah light

Kirkuk

Origine

Abu Dhabi

Abu Dhabi

Dubaï

Iran

Iran

Irak

Irak

°API

39,60

40,16

31,25

33,8

31,0

33,7

36,2

0,826

0,824

0,869

0,856

0,871

0,856

0,844

%S

0,73

1,01

2,07

1,35

1,65

2,00

1,95

Point d'écoulement

-12°C

-12°C

-30°C

-29°C

-21°C

-26°C

-30°C

Viscosité

5,9 cSt à 10°C

6 cSt à 10°C

D

15

0

G

G

10 E/N

16,2 cSt à 10°C 10,6 cSt à 10°C 17 cSt à 10°C

G

G

G

E/N

E/N

E/N

E/N

20

150°C

15 cSt à 10°C 12,8 cSt à 10°C

G

G

E/N

E/N

150°C 150°C

150°C

165°C 150°C

165°C

30 K GO

40 50

K GO

K GO

K GO

K GO

K GO

352°C 345°C

352°C

60

K GO

375°C 345°C

70

VGO

375°C 375°C

VGO 80

VGO

VGO

VGO

550°C

VGO

VGO

550°C

550°C

550°C

90

550°C 550°C

100

RSV 1,6 % Soufre

RSV

RSV

4,36 % Soufre

3,2 % Soufre

RSV

RSV

RSV

3,4 % Soufre

4,7 % Soufre

5,8 % Soufre

RSV 3,09 % Soufre

% volume 03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PPC 055 C

550°C

2

B 6 -4/A

MOYEN ORIENT Kuwait

Oman

Qatar marine

North field condensate

Origine

Kuwait

Oman

Qatar

Qatar

°API

31,4

33,34

32,50

55,72

37,7

33,9

28,0

24,1

0,869

0,858

0,862

0,755

0,836

0,855

0,888

0,909

%S

2,56

1,04

1,80

0,21

1,26

1,79

2,82

3,9

Point d'écoulement

-15°C

-24°C

-15°C

—

-34°C

-43°C

-34°C

-30°C

D

15

Viscosité

0

Arab light

G

G

G G

E/N

E/N

Arab heavy Safaniya

Saudi Arabia Saudi Arabia Saudi Arabia

10 cSt à 38°C 34,3 cSt à 10°C 17 cSt à 10°C 1,29 cSt à 10°C 5,8 cSt à 21°C 10 cSt à 21°C

E/N 10

Arab extra light

G

E/N

G

G

E/N

K GO

E/N 150°C

165°C

40

G

E/N

150°C

30

Syria

37 cSt à 21°C 150 cSt à 10°C

150°C

20

Souedie

165°C

E/N K GO

165°C

K GO

K GO

165°C

K GO

K GO

K GO

345°C

50

145°C

345°C

375°C

375°C 345°C

60

345°C

375°C

VGO

VGO VGO VGO 550°C

80

550°C

K GO

VGO

550°C

RSV

550°C 550°C

550°C

RSV

550°C

RSV 375°C

100

VGO

RSV

RSV

5,9 % Soufre

6,97 % Soufre

RSV

RSV

VGO

5,5 % Soufre

2,32 % Soufre

4,3 % Soufre

3,14 % Soufre

4,03% Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D PPC 055 D

70

90

VGO

3

B 6 -4/A

MER DU NORD

FRANCE

Brent

Forties

Flotta

Statfjord

Ekofisk

Sleipner condensate

Chaunoy

Origine

UK

UK

UK

UK-Norway

Norway

Norway

Seine et marne

°API

38,08

44,54

35,7

39,1

37,47

59,8

37,2

0,834

0,803

0,846

0,829

0,837

0,739

0,839

%S

0,38

0,20

1,14

0,22

0,202

0,02

0,13

Point d'écoulement

-3°C

-15°C

-6°C

+6°C

-6°C

< -45°C

—

D

15

Viscosité

0

7,1 cSt à 10°C 3,9 cSt à 10°C

G

G

31 cSt à 5°C

G

7,0 cSt à 10°C 9,8 cSt à 10°C 0,7 cSt à 20°C

G

G

G

E/N

E/N

10

E/N

E/N E/N

20

E/N

E/N 150°C 150°C

150°C

30

150°C

165°C

K GO

150°C

40 50

—

K GO

K GO K GO

K GO

K GO

375°C

375°C

60 345°C

350°C

70 375°C

80

VGO

VGO

VGO

VGO

180°C

550°C

550°C

K GO

VGO VGO

90

550°C

RSV 100

1,25 % Soufre

550°C 550°C

RSV

RSV

RSV

RSV

1,06 % Soufre

2,23 % Soufre

0,77 % Soufre

0,63 % Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

550°C

RSV 375°C VGO

D PPC 056 C

375°C

4

B 6 -4/A

AFRIQUE DU NORD

AFRIQUE DE L'OUEST

Sahara blend

Zarzartine

Es Sider

Girassol

Palanca

Kole

Origine

Algeria

Algeria

Libya

Angola

Angola

Cameroon

°API

44,8

42,0

36,25

31,33

37,23

31,51

0,803

0,816

0,843

0,867

0,838

0,868

%S

0,15

0,08

0,44

0,33

0,18

0,35

Point d'écoulement

-29°C

-12°C

+6°C

-6°C

9°C

-9°C

Viscosité

3 cSt à 21°C

6,9 cSt à 10°C

10 cSt à 10°C

36,9 cSt à 10°C

7,6 cSt à 10°C

14,5 cSt à 10°C

G

G

D

15

0

G

E/N

10

G

G

E/N E/N

G

E/N

150°C

E/N 20 30 40

150°C

165°C

K GO

165°C

K GO

K GO

K GO

50 60

150°C

165°C

E/N

K GO

375°C

K GO

375°C

375°C 345°C

375°C

70 VGO VGO VGO

80

VGO 550°C

550°C

90 100

550°C

VGO

550°C

550°C 550°C

RSV 0,51 % Soufre

RSV

RSV

1,15 % Soufre

0,75 % Soufre

RSV

RSV 0,19 % Soufre

VGO

0,47 % Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

RSV 0,90 % Soufre

D PPC 059 C

345°C

5

B 6 -4/A

AFRIQUE DE L'OUEST Djeno

Mandji

Bonny light

Forcados

Qua lboe

Oso condensate

Origine

Congo

Gabon

Nigeria

Nigeria

Nigeria

Nigeria

°API

27,36

29,54

35,36

30,43

36,4

47,40

0,890

0,870

0,848

0,873

0,843

0,791

%S

0,27

1,1

0,14

0,18

0,12

0,05

Point d'écoulement

0°C

+9°C

-18°C

-27°C

+7°C

+2°C

Viscosité

179 cSt à 20°C

72 cSt à 10°C

6,9 cSt à 10°C

17,4 cSt à 10°C

8,3cSt à 20°C

1,9 cSt à 20°C

G

G

D

15

0

G

10

E/N 150°C

20 30

E/N

150°C 165°C

K GO K GO

375°C

60

E/N

150°C

40 50

G

E/N

E/N 150°C

K GO

G

G

E/N

375°C

K GO

K GO

VGO VGO

70

165°C

345°C

K GO

VGO

345°C

375°C

550°C 375°C 550°C

80 90

VGO RSV

VGO 550°C

VGO

550°C

550°C

RSV 100 0,39 % Soufre

2,33 % Soufre

RSV 0,55 % Soufre

0,56 % Soufre

RSV 0,40 % Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

550°C RSV

D PPC 059 D

RSV

6

B 6 -4/A

AMÉRIQUE LATINE

AMÉRIQUE DU NORD

Tia juana light

Tia juana heavy

Bachaquero

Isthmus

Maya

Origine

Venezuela

Venezuela

Venezuela

Mexico

°API

32,1

12,1

16,8

0,865

0,985

%S

1,1

Point d'écoulement Viscosité

15

0

10

32,8

22

21,2

30,6

0,954

0,861

0,922

0,927

0,873

2,7

2,4

1,51

3,32

3,69

1,01

-43°C

-1°C

-23°C

-26°C

-18°C

-48°C

-18°C

11 cSt à 39°C

3 cSt à 50°C

300 cSt à 38°C

6 cSt à 38°C

E/N G

E/N

165°C

K GO 345°C

20

G

G

150°C

E/N E/N

K GO

K GO

VGO

VGO

K GO

345°C

345°C

K GO

345°C

550°C

VGO

550°C

RSV

RSV

550°C

550°C

RSV

RSV

RSV

2,64 % Soufre

VGO

VGO

550°C

100

K GO

345°C

RSV

90

E/N

165°C

VGO 550°C

80

E/N

VGO

550°C

60 70

G

150°C

30

345°C

G

150°C

375°C

50

G

E/N

150°C

40

70 cSt à 38°C 177 cSt à 20°C 13 cSt à 20°C

165°C

K GO

USA Alaska

RSV 3,77 % Soufre

3,3 % Soufre

3,62 % Soufre

5,81 % Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

2,21 % Soufre

2,53 % Soufre

D PPC 058 C

D

North Slope

Mexico

Cold lake blend Alberta Canada

7

B 6 -4/A

ASIE

OCÉANIE

RUSSIE

AZERBAIJAN

Daquing

Shengli

Bekapai

Minas

Tapis

Gippsland

Urals

Azeri light

Origine

China

China

Indonesia

Indonesia

Malaysia

Australia

Russia

Azerbaijan

°API

33,3

24,2

43,2

35,3

45,5

48,7

31,8

34,8

0,859

0,909

0,809

0,848

0,799

0,785

0,866

0,851

D

15

%S

0,11

1,0

0,06

0,07

0,02

0,09

1,35

0,16

Point d'écoulement

+35°C

+21°C

-29°C

+35°C

+16°C

-12°C

-18°C

-7°C

Viscosité

132 cSt à 50°C

8 cSt à 50°C

0

G

E/N 10

165°C

20

K GO

30

G

2,9 cSt à 10°C 12,4 cSt à 50°C 3,18 cSt à 20°C 1,7 cSt à 20°C 17,9 cSt à 10°C 11,9 cSt à 20°C

G

E/N

G

G

G

E/N

165°C

E/N

165°C

K GO

345°C

E/N K GO 150°C

40

G

N E/N 165°C

E/N

150°C

E/N K GO

165°C

345°C

50

G

K GO

375°C

VGO

165°C

VGO K GO

60 550°C

550°C

K GO

VGO

375°C 375°C

K GO

70

VGO

345°C

VGO

550°C

80

345°C

RSV

550°C

RSV 375°C

90

RSV

VGO

VGO

550°C

VGO

RSV RSV

100

RSV

0,17 % Soufre

1,37 % Soufre

0,45 % Soufre

0,17 % Soufre

550°C

RSV

RSV

0,17 % Soufre

0,84% Soufre

% volume

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

2,78 % Soufre

0,43 % Soufre

D PPC 070 C

550°C

550°C

8

II -

B 6 -4/A

EXEMPLE DE COMPOSITION DE CONDENSATS STABILISÉS

(% molaire)

Condensats stabilisés du gaz ALRAR Algérie

Impuretés

–

N2

–

Azote

H 2 S Hydrogène sulfuré

–

CO 2 Gaz carbonique

–

Hydrocarbures

100

C1

Méthane

–

C2

Éthane

–

C3

Propane

–

C4

Butanes

2,47

C5

Pentanes

28,18

C6

Hexanes

17,90

C7+

Heptanes

12,76

C8

Octanes

11,27

C9

Nonanes

8,30

C 10

Décanes

6,09

C 11

Undécanes

3,91

C 12+ Dodécanes et + TOTAL

9,12 100

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

0,43

N2

03353_A_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Éthane

Propane

Butanes

Pentanes

Hexanes

C2

C3

C4

C5

C6+

TOTAL

96,12

Méthane

C1

100

–

0,18

0,07

0,45

2,75

99,57

Hydrocarbures

Azote

0,43

France (Gazeux)

Impuretés

(% Volume)

Lacq

100

–

–

0,63

2,33

9,35

86,98

99,29

0,71

0,71

Algérie (GNL)

Arzew

100

–

–

0,24

0,59

5,37

92,55

98,75

1,25

1,25

Algérie (GNL)

Skikda

100

–

0,70

3,10

8,70

19,80

67,70

100

–

–

Libye (GNL)

Marsa El Brega

100

–

–

–

–

0,05

99,55

100

–

–

Alaska (GNL)

Kenai

100

–

0,07

1,08

3,64

7,86

87,29

99,94

0,06

0,06

Indonésie (GNL)

Arun

9

B 6 -4/A

III - COMPOSITION DE QUELQUES GAZ COMMERCIALISÉS (Données de 1980)

Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

FORCE - POIDS - MASSE - MOMENT - COUPLE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - FORCE ...................................................................................................................................... 1 1 - Définition d’une force .........................................................................................................................1 2 - Localisation d’une force ...................................................................................................................... 2 3 - Résultante de forces concourantes .................................................................................................. 3 4 - Décomposition d'une force en deux forces concourantes ..................................................................3 5 - Unités de mesure des forces .............................................................................................................. 4

II - MASSE ET POIDS .................................................................................................................... 4 1 - Masse d’un corps ...............................................................................................................................4 2 - Poids d’un corps .................................................................................................................................5

III - MOMENT D'UNE FORCE - COUPLE ....................................................................................... 7 1 - Définition - Notation ............................................................................................................................ 7 2 - Unité de mesure de moment .............................................................................................................. 7 3 - Cas particulier - Couple ...................................................................................................................... 8

IV - CONVERSION DES UNITÉS DE MASSE ET DE FORCE ....................................................... 9

Ce document comporte 10 pages BA PHY - 02085_A_F - Rév. 2

26/01/2005 „ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-1

1

I-

C 1 -1

FORCE 1-

DÉFINITION D’UNE FORCE On appelle force toute action capable de déformer un corps, de le déplacer ou de modifier son mouvement. C’est une grandeur mécanique fondamentale associée à la notion intuitive d’effort. a - Exemples de forces Une locomotive exerce une force sur une rame de wagons pour la mettre en mouvement. Une force de traction appliquée à un ressort a pour effet de l’allonger. Quand on lâche un objet il tombe à cause de l’attraction de la terre. Cette force particulière d’attraction de la terre est appelée poids. Sous l’action du poids d’un équipement, une poutre se déforme et subit une flèche (même si la déformation est difficile à observer). b - Représentations d’une force • Notations Habituellement, une force est représentée par la lettre F. Le poids, force d’attraction terrestre est noté P. • Schéma Une force est représentée par un segment de droite orienté dans le sens de la force et placé selon la direction de la force. La longueur du segment est proportionnelle à la valeur (ou intensité) de la force. Ce segment est attaché au point d’application de la force. • Exemples

n

ctio

dire F

sens

DIRECTION VERTICALE

D PPC 2001 A

Point d'application

Dans le cas de la figure de gauche, la force s'applique à l’extrémité du ressort. Dans le cas de la figure de droite, la force représentée est le poids du wagon-citerne. Celui-ci, de direction verticale, s’applique à son centre de gravité et est orienté vers le bas.

02085_A_F

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2

2-

LOCALISATION D’UNE FORCE a - Force ponctuelle Dans l’exemple précédent du ressort, l’action du fil tirant sur le ressort avec une force F peut être localisée au point d’attache du fil sur le ressort, c’est-à-dire sur une surface de contact assez réduite par rapport aux dimensions du solide pour être assimilée au point d’attache. Cette action est dite ponctuelle. Une force ponctuelle est donc représentée par un segment de droite orienté ayant son extrémité ou son origine appliquée au point d’application de la force. b - Force répartie Quand une même force s’exerce sur un grand nombre de points d’application on dit qu’on a affaire à une force répartie. Il en est ainsi par exemple de la force exercée par le vent qui s’applique sur toute la surface de la voile d’un bateau, ou de la force de pression d’air sur la membrane d’un servomoteur de vanne pneumatique. On distingue deux types de forces réparties : – si tous les points sont sollicités par la même intensité de force, on dit que la force a une répartition uniforme (force uniformément répartie) ; c’est le cas par exemple du poids propre d’un profil de structure en béton armé ou de la force due à la pression exercée par un gaz sur une surface – si tous les points sont sollicités par une intensité différente, la force a une répartition variable (force répartie variable) ; c’est le cas par exemple de la force créée par la charge hydraulique sur la paroi verticale d’un barrage Quelques exemples de forces, ponctuelles ou réparties, sont donnés ci-dessous : • Force ponctuelle – force de traction d’une locomotive sur un wagon – force exercée par les 4 supports d’une sphère de stockage de gaz liquéfiés • Force uniformément répartie – poids propre d’un profil de structure d'une charpente métallique – force provenant de la pression d’un liquide sur le fond d'un bac de stockage • Force répartie variable – force provenant de la pression d’un liquide sur la paroi verticale d’un bac – force créée au sol par le stockage en tas de produits pulvérulents

02085_A_F

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C 1 -1

3

3-

C 1 -1

RÉSULTANTE DE FORCES CONCOURANTES On appelle résultante de plusieurs forces une force unique qui ou point de vue de l'équilibre a le même effet que l'ensemble de ces forces et peut donc les remplacer.

Le vecteur résultant de deux vecteurs concourants est la diagonale du parallélogramme construit sur les deux vecteurs.

D CONS 2001 A

F1 F

0 F2

Æ

Æ

Æ

F = F1 + F2

Nota : cette écriture est une forme d'écriture à caractère vectoriel

4-

DÉCOMPOSITION D'UNE FORCE EN DEUX FORCES CONCOURANTES

0

Æ

Décomposer une force F suivant deux directions données ox et oy, c'est trouver

Æ

Æ

F1

Æ

deux forces F et F 1 dont F 2 est la résultante.

F2

Pour ce faire, il suffit de mener par

F

Æ

Æ

Æ

forces F 1 et F 2 qui sont appelées les

Æ

composantes de F .

x

y

02085_A_F

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D CONS 2002 A

l'extrémité de la force F donnée, des parallèles à chacune des directions données, l'intersection de ces parallèles avec les axes ox et oy détermine les

4

5-

C 1 -1

UNITÉS DE MESURE DES FORCES Dans le système international dit “système SI”, l’unité de force est le newton (symbole N). Sont parfois utilisés des multiples ou sous-multiples du newton tels que: – le décanewton (symbole daN) 1 daN = 10 N – la dyne (symbole dyn) 1 N = 100 000 dyn Bien que non reconnue officiellement en France, on peut citer l’unité de force du système anglo-saxon dont la connaissance est nécessaire pour appréhender l’unité de pression du même système utilisée en particulier dans le domaine des signaux pneumatiques en instrumentation. Il s’agit de la “pound-force” ou livre-force (symbole lbf) 1 lbf = 4,45 N Les intensités des forces sont très variables en fonction des efforts mis en jeu comme le montrent les exemples suivants : – – – – – –

II -

un élastique tendu un homme soulevant un sac de ciment un cheval tirant une charge une locomotive tractant un convoi un réacteur d’avion un réacteur de fusée

= = = = = =

0,1 daN 50 daN 400 daN 7 000 daN 10 000 daN 500 000 daN

MASSE & POIDS 1-

MASSE D’UN CORPS La masse d’un corps est la quantité de matière que contient le corps. Elle est notée m ou M. Unités de masse : L’unité de masse du système international (SI) est le kilogramme (kg). On utilise aussi ses multiples et sous-multiples : la tonne (t), le gramme (g), le milligramme (mg), … 1t = 1000 kg 1 kg = 1000 g 1 g = 1000 mg Dans le système anglo-saxon, l’unité de masse est la “pound” ou livre (symbole lb). 1 lb = 453,5 g = 0,454 kg En première approximation, on pourra retenir que les “livres” anglaise et française sont à peu près équivalentes.

02085_A_F

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5

2-

C 1 -1

POIDS D’UN CORPS Le poids d’un corps est la force d’attraction terrestre qui s’exerce sur ce corps. Il dépend : – de la masse du corps : le poids est d’autant plus grand que la masse est grande – de la localisation du corps : à la surface de la terre, l’attraction terrestre n’est pas rigoureusement constante. De plus, cette attraction varie avec l’altitude ; elle devient d’autant plus faible que l’on s’éloigne de la surface de la terre Un cosmonaute à 200 000 km de la terre a un poids pratiquement nul, ce qui signifie qu’il n’est plus soumis à l’attraction terrestre. Ces considérations sont traduites par la formule : Poids = masse x accélération de la pesanteur

P = m x g

Le poids d’un corps est donc obtenu en multipliant sa masse m par le facteur g qui caractérise l’attraction de la terre à l’endroit où se trouve le corps. g est appelé “accélération de la pesanteur”. Sa valeur est variable en fonction du lieu et de l’altitude. A Paris au niveau du sol, la valeur de g est : g = 9,80665 m/s2 (mètres/seconde au carré) L’unité m/s2 représente une accélération, c’est-à-dire un gain de vitesse de 1 mètre par seconde en une seconde. Pour les calculs courants, on peut se contenter d’utiliser : g = 9,8 m/s2 En conclusion, on retiendra l’expression simplifiée suivante :

P = m x 9,8

avec

P : poids en newton (N) m : masse en kilogramme (kg)

02085_A_F

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6

C 1 -1

Applications • Détermination du poids d’une masse de 10 t m = donc

= P =

kg x

=

N=

daN

• Détermination du poids d’un objet dont la masse vaut une livre anglaise

donc

1 lb =

kg

P=

=

N

Or, par définition, le poids d’1 lb est une livre-force. On retrouve donc bien la correspondance donnée au chapitre précédent. 1 lbf = 4,45 N Dans d’autres systèmes d’unités maintenant presque abandonnés on a utilisé les unités de kilogramme-poids (ou kilogramme-force kgf) et de tonne-poids (ou tonne-force). Ces unités sont devenues illégales en France. Il est pourtant d’usage courant de dire, par exemple : “l’échangeur E 301 plein pèse 15 tonnes”. On retiendra seulement que la masse de cet échangeur est égale à 15 tonnes. Quant à son poids il est égal à : P = 15 000 kg x 9,8 = 147 000 N ou encore

14 700 daN

02085_A_F

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7

III -

C 1 -1

MOMENT D'UNE FORCE - COUPLE 1-

DÉFINITION - NOTATION

x' A

H x

F

F

d 0

B

D CONS 2003 A

A

La notion de moment de force est illustrée par l'opération de serrage d'un écrou avec une clé plate représentée ci-dessus. La main exerce sur la clé une force F supposée appliquée au point A. La tête de la clé entraîne l'écrou qui tourne autour de l'axe x'x. Plus le point A est éloigné de l'axe x'x, plus l'action de la main est efficace. De plus, il est souhaitable que la droite d'action de la force F soit perpendiculaire à la droite OA pour assurer un serrage le plus efficace possible avec la même force F. Dans le plan contenant la clé, l'axe x'x se projette en O et le vecteur image de la force F est contenu dans ce plan. La perpendiculaire OH, abaissée du point O sur le vecteur image F ou sur sa droite d'action, est appelée distance d de la force F à l'axe xx' ou au point O. Cette distance est aussi désignée par le terme bras de levier. On appelle moment d'une force par rapport à un axe x'x, orthogonal à la droite d'action de la force F, le produit de l'intensité F de la force F par la distance d de la droite d'action de la force à l'axe. Le moment d'une force est noté Mx'x F (moment par rapport à x'x de la force F). M x'x F = F • d Le moment de la force F peut être également défini par rapport au point O. Il est noté dans ce cas M OF ou M F/O (moment de la force F par rapport au point O). M F/O = F • d

2-

UNITÉ DE MESURE DE MOMENT Le moment d'une force est le produit d'une intensité de force (en newton) par une distance (en mètre). Il s'exprime donc dans le système international en Newton-mètre (N•m). Pratiquement, l'intensité de force étant exprimée en daN, on utilise le decanewton-mètre (daN•m).

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8

CAS PARTICULIER : COUPLE

Un couple est un système formé par 2 forces parallèles, de sens contraire, de même intensité et agissant simultanément. Le résultat d'un couple est un moment.

F1 W

Il est égal au résultat du produit de l'intensité d'une force par la distance qui sépare ces deux forces.

d

F 1 = F2 = F M couple = F x d

F2

02085_A_F

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D CONS 2000 A

3-

C 1 -1

9

C 1 -1

IV - CONVERSION DES UNITÉS DE MASSE ET DE FORCE

Unités de masse

Unité

Facteur multiplicatif pour convertir en

Symbole

kg

t

g

lb

kg

1

0,001

1 000

2,2046

tonne

t

1000

1

1 000 000

2,2046 . 103

gramme

g

0,001

0,000 001

1

2,2046 . 10–3

pound (livre)

lb

0,45359

0,00045359

453,59

1

kilogramme

Unités de force

Unité

Symbole

Facteur multiplicatif pour convertir en N

kgf

lbf

newton

N

1

0,10197

0,22481

kilogramme-force

kgf

9,80665

1

2,20462

pound-force (livre-force)

lbf

4,44822

0,45359

1

02085_A_F

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Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

MASSE VOLUMIQUE - DENSITÉ - DÉBITS

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - MASSE VOLUMIQUE - DENSITÉ............................................................................................. 1 1 - Masse volumique................................................................................................................................ 1 2 - Densité des liquides et des solides.....................................................................................................3 3 - Densité d’un gaz .................................................................................................................................8

II - DÉBITS ..................................................................................................................................... 9 1 - Définitions ...........................................................................................................................................9 2 - Relation débit masse-débit volume.....................................................................................................9 3 - Évolution des débits masse et volume dans un circuit ..................................................................... 11 4 - Capacité des unités .........................................................................................................................12

III - CONVERSION DES UNITÉS DE VOLUME, MASSE VOLUMIQUE ET DÉBITS.................... 13 En annexe : planches 1 à 4 donnant les variations de densités de quelques liquides avec la température

Ce document comporte 19 paBA PHY - 01141_B_F - Rév. 1

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-2

C 1 -2

1

I-

MASSE VOLUMIQUE - DENSITÉ 1-

MASSE VOLUMIQUE • Définition La masse volumique d’un produit est la masse de l’unité de volume de ce produit. Elle est noté r (Rhô). On l’obtient en divisant la masse d’un échantillon de ce produit par son volume : Masse volumique =

soit

Masse de l’échantillon Volume de l’échantillon

Masse volumique r =

masse m volume V

• Unités L’unité SI de masse volumique est le kg/m3 mais dans la pratique on utilise aussi d’autres unités : kg/l ou kg/dm3, g/cm3, g/l etc ... Application La masse volumique d'un pétrole brut à 20°C est r = 879 kg/m3 . Déterminer à 20°C •

la masse d’un litre de brut kg

•

le volume d’une tonne de brut m3

• Variation avec la température En raison de la dilatation, le volume d’une masse donnée de produit liquide ou solide varie avec la température. Il faut donc toujours préciser la température correspondant à la valeur d’une masse volumique. Pour les gaz il importe en plus de préciser la valeur de la pression.

01141_B_F

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C 1 -2

2

• Quelques exemples Conditions de température (et de pression pour les gaz)

Masse volumique kg/m 3

Aluminium

27°C 127°C

2701 2681

Cuivre

27°C 127°C

8930 8885

Or

27°C 127°C

19300 19210

Fer

27°C 127°C

7860 7830

Plomb

27°C 127°C

11330 11230

Solides

Conditions de température (et de pression pour les gaz)

Masse volumique kg/m 3

Liquides Eau

4°C 20°C 100°C 318°C

Mercure

0°C 20°C 100°C

Benzène

20°C

(110

bar)

999,972 998,204 958,365 671,772 13595,08 13545,87 13351,1 879

Gaz Air

Méthane Propane Butane Ammoniac Hélium Hydrogène Vapeur d’eau

FM 200 (C 3HF7)

0°C 27°C 27°C 127°C

(1,013 (1 (10 (1

bar) bar) bar) bar)

1,293 1,161 11,64 0,8711

27°C 0°C 0°C 27°C 0°C 0°C 100°C 250°C 250°C 318°C – 16,4°C

(1 (1 (1 (1,013 (1 (1,013 (1 (1 (10 (110 (1

bar) bar) bar) bar) bar) bar) bar) bar) bar) bar) bar)

0,6443 1,983 2,586 0,6985 0,176 0,0899 0,5903 0,4156 4,2992 62.551 7,56

01141_B_F

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C 1 -2

3

Application On stocke dans un bac 1000 m3 d’eau à 4°C. La température augmente jusqu’à 20°C. Quelle est l’augmentation de volume correspondante ?

m3

Augmentation de volume =

2-

DENSITÉ DES LIQUIDES ET DES SOLIDES a - Définition Elle est définie par rapport à l’eau. La densité d’un corps solide ou liquide est le rapport de la masse volumique du corps à la masse volumique de l’eau. Densité d’un corps solide ou liquide =

Masse volumique d’un corps Masse volumique de l’eau

Rapport de deux mêmes grandeurs la densité s’exprime en conséquence sans unités. Les masses volumiques variant avec la température, celle-ci doit être indiquée aussi bien pour le corps envisagé que pour l’eau. En pratique la masse volumique de l’eau est prise à la température de 4°C t Si celle de l’échantillon est prise à la température de t (°C) on définit alors la d 4 densité du produit à t°C par rapport à l’eau à 4°C. t Masse volumique d’un solide ou d’un liquide à t °C d4 = Masse volumique de l’eau à 4°C t La densité d4 d’un solide ou d’un liquide est mesurée par un chiffre 1000 fois plus petit que celui qui

indique sa masse volumique à t°C en kg/m3 car la masse volumique de l’eau à 4°C a une valeur très voisine de 1000 kg/m3. Par exemple, si la masse volumique du benzène à 20°C est

r20 = 879 kg/m3 la densité du benzène à 20°C par rapport à l’eau à 4°C a pour valeur : 20 879 d4 = = 0,879 1000

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4

b - Variation de la densité avec la température La densité des liquides et des solides diminue quand la température augmente, il en résulte deux conséquences principales : -

la valeur d’une densité doit évidemment toujours être accompagnée de la température correspondante

-

pour comparer les densités il est nécessaire de les considérer à la même 15 température. Généralement on choisit 15°C et l’on définit la d4 comme étant la densité d’un produit à 15°C par rapport à l’eau à 4°C.

Dans la pratique on mesure une densité à la température de l’échantillon puis une correction est faite pour la ramener à 15°C. Cette correction qui dépend de l’écart entre la température de mesure et 15°C est mise en oeuvre grâce à des tables, des règles pratiques ou des abaques tels que celui donné en annexe. Quelle soit leur température, les produits pétroliers ont en général une densité inférieure à 1. Comme ils sont pratiquement insolubles dans l’eau, ils “flottent”. Il en est de même pour de nombreux composés organiques de l’industrie chimique. A l’inverse, les solutions de composés minéraux dans l’eau : acides, bases, sels, … ont des densités supérieures à 1 qui varient avec la concentration. Application L’abaque en annexe permet de relever les valeurs manquantes 15 d4 Essence

40 d4

0,700

Gazole

0,825

Entre 15 et 40°C soit en 25°C les densités ont varié • pour l’essence de

soit

points/°C

• pour le gazole de

soit

points/°C

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5

c - Principe de la mesure de la densité d’un liquide à l’aide d’un aréomètre Celle-ci peut être faite à l’aide d’un aréomètre selon le schéma de principe ci-dessous. Il est composé d’un flotteur lesté surmonté d’une tige graduée sur laquelle on peut lire directement la densité.

Aréomètre

80 70

Lecture de la densité du produit

Produit

D ANA 113 A

10

0

10

20

30

40

Lecture de la température

90

100

110

°C100

110

°C

Thermomètre

d - Autre appareil de mesure d’une densité Parmi les appareils plus récents, les plus couramment utilisés mesurent la densité par vibration d’un tube capillaire rempli du produit à traiter. Il peut s’agir d’appareils portatifs ou d’appareils de laboratoire à poste fixe. L’échantillon du produit liquide est introduit dans un tube en U dont le schéma est donné ci-dessous.

Tube capillaire Échantillon

Double paroi pour thermorégulation

Tube métallique

Tube de verre scellé

Cellule de mesure du densimètre PAAR DMA 35

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Sortie Entrée

Coté fixation

D ANA 101 A

yy ;; ;; yy Système d'excitation électronique

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6

Fixé de façon rigide aux extrémités ouvertes du U, le tube est excité par un champ électromagnétique qui le fait vibrer à sa fréquence naturelle. Celle-ci est fonction de la masse volumique du liquide injecté. La mesure de la fréquence de vibration permet d’accéder à la valeur de la masse volumique du produit. La relation qui lie la période de vibration T (inverse de la fréquence) à la masse volumique r est la suivante : T2 = A r + B A et B sont des constantes de l’appareil qui sont définies à l’aide de deux liquides étalons de densité connue (généralement l’eau et l’air). Dans le cas d’un densimètre portatif la température de mesure est la température ambiante. Dans le cas d’un appareil fixe la mesure est effectuée à une température constante (15°C par exemple) grâce à une thermorégulation de la cellule par une circulation de liquide.

Densimètres PAAR à tube vibrant

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D ANA 2017 A

Les vues extérieures d’un appareil portatif et d’un appareil de laboratoire PAAR sont représentées cidessous.

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7

e - Degré API La densité des pétroles bruts est souvent exprimée sous la forme d'une valeur en °API (degré A.P.I.) définie par l'American Petroleum Institute de la manière suivante : °API =

141,5 – 131,5 Specific Gravity 60°F/60°F

Avec : Specific Gravity 60°F/60°F =

Masse volumique de produit à 60 °F Masse du même volume d'eau à 60°F

15 La d 4 peut être assimilée à la Specific Gravity puisque : -

60°F = 15,6°C 15 d4 = 0,999 X Specific Gravity 60°F/60 °F

Les planches 3 et 3 bis donnent directement la correspondance entre °API et Specific Gravity. Elles permettent de compléter le tableau suivant :

Densité à 15 °C

Saharien

Arabe léger

Safaniyah

0,806

0,855

0,893

° API La liaison entre densité et structure de rendement a conduit à classer les bruts en fonction de ce critère . On distingue ainsi : Les bruts légers :

de faible densité (comprise entre 0,800 et 0,830) ou de fort °API (compris entre 45 et 38 °API) qui donnent des rendements élevés en essences et produits intermédiaires. C'est le cas des bruts Sahariens, Libyens, ...

Les bruts lourds :

de forte densité (comprise entre 0,890 et 1,0) ou de faible °API (compris entre 27 et 10 °API) qui offrent par contre des rendements en produits lourds (Vénézuéliens , Arabes lourds,...).

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8

3-

DENSITÉ D’UN GAZ a - Définition Elle est définie par rapport à l’air. La densité d’un gaz par rapport à l’air est le rapport de la masse volumique du gaz à la masse volumique de l’air. Comme la masse volumique d’un gaz dépend de la température et de la pression, les deux masses volumiques doivent être prises à même température (t) et à même pression (P). dgaz =

Masse volumique du gaz Masse volumique de l’air

fi

même P et t

Les propriétés des gaz sont telles que quelles que soient les conditions de température et de pression envisagées, la densité d’un gaz par rapport à l’air a la même valeur. Elle peut donc être exprimée dans les conditions particulières : pression = pression atmosphérique normale (1,013 bar) et température = 0°C (conditions normales de température et de pression) pour lesquelles la masse volumique de l’air est 1,293 kg/m3. On a alors densité d’un gaz par rapport à l’air =

Masse volumique du gaz aux conditions normales 1,293

Cette densité est parfois appelée densité Schilling Application Quelle est la densité du méthane par rapport à l’air ? d =

=

b - Exemple de densités de gaz - plus légers que l’air

- plus lourds que l’air

{

hydrogène méthane

d = 0,069 d = 0,552

éthane d = 1,034 propane d = 1,517 butane d = 2,00

La plupart des gaz combustibles ou toxiques ont des densités supérieures à 1. Ces produits sont dangereux car ils se diluent difficilement dans l’air et ont tendance à ramper en formant des nappes de gaz au sol ou dans les points bas (fosses, tranchée, …)

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9

II -

DÉBIT 1-

DÉFINITIONS Dans les tuyauteries et capacités (colonnes, ballons, réacteurs, fours, etc ...) d’une unité de fabrication en fonctionnement, des fluides (gaz ou liquides seuls ou en mélange) circulent souvent en continu. La quantité de produit qui passe en un point d’un tuyauterie pendant un temps donné est appelée débit et l’on distingue : - le débit massique qui s’exprime le plus souvent : en tonnes par heure tonnes par jour t/j ou kilogrammes par seconde

t/h kg/s (Unité Système SI)

- le débit volumique qui s’exprime le plus souvent : en mètres cube par heure m 3/h mètres cube par jour m 3/j mètres cube par seconde m 3/s (Unité Système SI) ou litres par seconde l/s en Nm 3/h pour les gaz (t = 0°C et P = 1 atm) Dans le langage courant on utilise plutôt les expressions “débit masse” et “débit volume”. Application Un compteur relève le passage de 2,1 m3 de produit pendant 30 secondes. Pendant cette durée, quel a été le débit volumique Qv exprimé en m3/h ?

m 3/h

Qv =

2 - RELATION DÉBIT MASSE – DÉBIT VOLUME On adopte généralement la lettre Q pour représenter un débit et l’on appelle : Qm le débit masse de produit Qv le débit volume du produit Il existe une relation entre Qm et Qv par l’intermédiaire de la masse volumique du produit. On a en effet :

débit masse Qm (en kg/h)

=

masse volumique r

.

(en kg/m3)

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débit volume Qv (en m3/h)

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10

ou

débit volume Qv (en m3/h) =

débit masse Qm (en kg/h) masse volumique r (en kg/m3)

Application Soit un débit volumique de 80 m 3/h d’un produit liquide s’écoulant à la température de 40°C et dont la masse volumique est de 850 kg/m3. Déterminer le débit massique correspondant : Qm

= =

Qm =

kg/h =

t/h

40 Pratiquement on peut remarquer dans l’application précédente que si r40°C = 850 kg/m3, on a d 4 =

0,850 et que le débit masse en t/h peut être obtenu simplement en multipliant le débit volume en m3/h par sa densité. On peut retenir en conséquence les formules pratiques suivantes valables pour les liquides :

Débit masse (t/h)

=

débit volume (m 3/h)

Débit volume (m3/h) =

. densité

débit masse (t/h) densité

soit

soit

t Qm (t/h) = Qv (m3/h) . d4

Qv (m 3/h) =

Qm (t/h) t d4

Dans tous les cas il faut noter que la densité à prendre en compte est la densité réelle du produit à la température d’écoulement. Application Débit masse 420 t/j, densité 0,528, déterminer le débit volume Qv =

Qv =

m3/h

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11

3-

ÉVOLUTION DES DÉBITS MASSE ET VOLUME DANS UN CIRCUIT Le schéma ci-dessous représente le circuit d’un produit quittant le fond d’une colonne à distiller pour se diriger vers le stockage. Ce produit est couramment appelé “résidu” dans l’industrie.

Fond de colonne

180°C

80°C

50°C

Pompe

Échangeur récupérateur de chaleur

Aéroréfrigérant

70 t/h

D PCD 2052 A

Vers stockage

Résidu

Le résidu liquide quitte le fond de colonne à 180°C, il est refroidi une première fois à 80°C puis une seconde fois jusqu’à 50°C. L’unité étant en régime de fonctionnement stable, le débit masse de résidu est constant tout au long de la tuyauterie : 70 t/h de résidu quittent la colonne 70 t/h de résidu parviennent au stockage Par contre la densité du produit augmente quand la température s’abaisse et le débit volume diminue donc deux fois tout au long du circuit. Il en résulte deux remarques importantes : -

pour un débit masse donné constant, le débit volume varie avec la température (et avec la pression s’il s’agit d’un gaz)

-

quand on ne connaît pas les débits massiques et que l’on veut comparer plusieurs débits volumiques de produits liquides, ceux-ci doivent être considérés à la même température, le plus souvent à 15°C. On parle alors de débits en m3/h à 15°C.

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12

4-

CAPACITÉ DES UNITÉS La capacité d’une unité de fabrication est la quantité de charge qu’elle peut traiter en 1 heure, 1 jour ou 1 an. On l’exprime donc selon le cas en : t/h

t/j

t/an

débits massiques

m 3/h

m 3/j

m 3/an

débits volumique

Si la capacité d’une unité est de 100 t/h, cela correspond à : 100 x 24 = 2400 t/j et sur la base de 350 jours de fonctionnement par an à : 2400 x 350 = 840 000 t/an Le débit de charge traitée réellement dans l’unité est parfois appelé Intake. On utilise encore fréquemment dans certaines sociétés, le “Barrel Per Stream Day” (BPSD) ou baril par jour de marche. Le baril ("Barrel"), unité de volume anglo-saxonne, vaut 159 litres. En conséquence 1 m3/h = 24 m3/j = 24 000 l/j =

soit

24 000 @ 151 BPSD 159

1 m3/h @ 151 BPSD

Les capacités des installations pétrolières ou les productions de pétrole brut sont souvent exprimées en BPSD.

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13

III -

CONVERSION DES UNITÉS DE VOLUME, DE MASSE VOLUMIQUE ET DE DÉBITS Unités de volume

Facteur multiplicatif pour convertir en : UNITÉ

SYMBOLE m3

l

Cu.in

Cuft

US Gal

bbl

mètre cube

m3

1

1000

61023,75

35,31467

264,1721

6,289811

litre

1

0,001

1

61,02374

0,035315

0,264172

6,2898.10–3

cubic inch (pouce cube)

cu. in

1,6387.10–5

1,6387.10–2

1

5,7870.10–4

4,3290.10–3

0,1032.10–3

cubic foot (pied cube)

cu. ft

0,028317

28,31685

1728

1

7,480519

0,1783

gallon fluide U.S. (gallon fluide américain)

US ga

3,7854.10–3

3,78541

231

0,13368

1

0,02381 (1/42)

barrel petroleum (baril pétrolier)

bbl

0,15899

158,99

9702,2

5,61458

42

1

Application Le réservoir d’essence d’une voiture américaine contient 12 gallons U.S. Quel est le volume V de ce réservoir en litres ? V=

=

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litres

C 1 -2

14

Unités de masse volumique

UNITÉ

SYMBOLE

kilogramme par mètre cube

kg/m3

kg/l

g/cm3

lb/cu.ft

lb/US gal

kg/m3

1

0,001

0,001

0,062428

8,345.10-3

kg/l

1000

1

1

62,428

8,345

kg/cm3

1000

1

1

62,428

8,345

lb/cu.ft

16,0185

16,0185.10-3

16,0185.10-3

1

0,1337

lb/US gal

119,83

0,11983

0,11983

7,4805

1

kilogramme par litre gramme par centimètre cube pound par cubic foot pound par US galon

Facteur multiplicatif pour convertir en :

Application : masse volumique de l’eau à 4°C en lb/cu.ft)

r

= 1000 kg/m3 =

r

lb/cu.ft

=

Unités de débit volume

Facteur multiplicatif pour convertir en : UNITÉ

SYMBOLE

mètre cube par heure

m3/h

l/s

Cu.ft/s

BPD

m3/h

1

0,2778

0,00981

151

l/s

3,6

1

0,03532

543,8

cubic foot per second

cu.ft/s

101,95

28,32

1

15386

barrel per day

BPD

0,006624

0,00184

0,00006498

1

litre par seconde

Application : Convertir Qv = 200 l/s en m3/h Qv =

=

=

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m3/h

01141_B_F

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4

nC 4 H1

0

iC 4 H1 0,5 0 0 9 CH 3 8 0 ,3 78 CH 2 6

0,5 6

0,58 4

D TH 2001 A B

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Densité d t 4

4

0

0,6 2

0

iC 5 H1 2

0,72 0 0,68 ,70 0 0 ,6 4 , 6 6

0,80 0,7 0,76 8 0,74

100

0,82

0 ,8 8 0,8 6 0,84

100

0,9 4 0,9 2 0,90

200

Densité critique

1,04 1,0 2 1,00 0,9 8 0,9 6

Densité d 15 4

200

300

300

Température °C 400

400

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

15

C 1 -2

— Planche 1 —

VARIATION DE LA DENSITÉ DES HYDROCARBURES LIQUIDES AVEC LA TEMPÉRATURE

C 1 -2

16

— Planche 2 —

CORRESPONDANCE SPECIFIC GRAVITY - DEGRÉ API Degrés

Dixièmes de degré A.P.I.

A.P.I.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4

1,0760 1,0679 1,0599 1,0520 1,0443

1,0752 1,0671 1,0591 1,0512 1,0435

1,0744 1,0663 1,0583 1,0504 1,0427

1,0735 1,0655 1,0575 1,0497 1,0419

1,0727 1,0547 1,0567 1,0489 1,0412

1,0719 1,0639 1,0559 1,0481 1,0404

1,0711 1,0631 1,0551 1,0473 1,0396

1,0703 1,0623 1,0543 1,0465 1,0389

1,0695 1,0615 1,0536 1,0458 1,0381

1,0687 1,0607 1,0528 1,0450 1,0373

5 6 7 8 9

1,0366 1,0291 1,0217 1,0143 1,0071

1,0358 1,0283 1,0209 1,0136 1,0064

1,0351 1,0275 1,0201 1,0128 1,0056

1,0343 1,0268 1,0194 1,0121 1,0049

1,0336 1,0261 1,0187 1,0114 1,0042

1,0328 1,0253 1,0179 1,0107 1,0035

1,0320 1,0246 1,0172 1,0099 1,0028

1,0313 1,0238 1,0165 1,0092 1,0021

1,0305 1,0231 1,0157 1,0085 1,0014

1,0298 1,0224 1,0150 1,0078 1,0007

10 11 12 13 14

1,0000 0,9930 0,9861 0,9792 0,9725

0,9993 0,9923 0,9854 0,9785 0,9718

0,9986 0,9916 0,9847 0,9779 0,9712

0,9979 0,9909 0,9840 0,9772 0,9705

0,9972 0,9902 0,9833 0,9765 0,9698

0,9965 0,9895 0,9826 0,9759 0,9692

0,9958 0,9888 0,9820 0,9752 0,9685

0,9951 0,9881 0,9813 0,9745 0,9679

0,9944 0,9874 0,9806 0,9738 0,9672

0,9937 0,9868 0,9799 0,9732 0,9665

15 16 17 18 19

0,9659 0,9593 0,9529 0,9465 0,9402

0,9652 0,9587 0,9522 0,9459 0,9396

0,9646 0,9580 0,9516 0,9452 0,9390

0,9639 0,9574 0,9509 0,9446 0,9383

0,9632 0,9567 0,9503 0,9440 0,9377

0,9626 0,9561 0,9497 0,9433 0,9371

0,9619 0,9554 0,9490 0,9427 0,9365

0,9613 0,9548 0,9484 0,9421 0,9359

0,9606 0,9542 0,9478 0,9415 0,9352

0,9600 0,9535 0,9471 0,9408 0,9346

20 21 22 23 24

0,9340 0,9279 0,9218 0,9159 0,9100

0,9334 0,9273 0,9212 0,9153 0,9094

0,9328 0,9267 0,9206 0,9147 0,9088

0,9322 0,9260 0,9200 0,9141 0,9082

0,9315 0,9254 0,9194 0,9135 0,9076

0,9309 0,9248 0,9188 0,9129 0,9071

0,9303 0,9242 0,9182 0,9123 0,9065

0,9297 0,9236 0,9176 0,9117 0,9059

0,9291 0,9230 0,9170 0,9111 0,9053

0,9285 0,9224 0,9165 0,9106 0,9047

25 26 27 28 29

0,9042 0,8964 0,8927 0,8871 0,6816

0,9036 0,8978 0,8922 0,8866 0,8811

0,9030 0,8973 0,8916 0,8860 0,8805

0,9024 0,8957 0,8911 0,8855 0,8800

0,9018 0,8961 0,8905 0,8849 0,8794

0,9013 0,8956 0,8899 0,8844 0,8789

0,9007 0,8950 0,8894 0,8838 0,8783

0,9001 0,8944 0,8888 0,8833 0,8776

0,8996 0,8939 0,8883 0,8827 0,8772

0,8990 0,8933 0,8877 0,8822 0,8767

30 31 32 33 34

0,8762 0,8708 0,8654 0,8602 0,8550

0,8756 0,8702 0,8649 0,8597 0,8545

0,8751 0,8697 0,8644 0,8591 0,8540

0,8745 0,8692 0,8639 0,8586 0,8534

0,8740 0,8686 0,8633 0,8581 0,8529

0,8735 0,8681 0,8628 0,8576 0,8524

0,8729 0,8676 0,8623 0,8571 0,8519

0,8724 0,8670 0,8618 0,8565 0,8514

0,8718 0,8665 0,8612 0,8560 0,8509

0,8713 0,8660 0,8607 0,8555 0,8504

35 36 37 38 39

0,8498 0,8448 0,8398 0,8348 0,8299

0,8493 0,8443 0,8393 0,8343 0,8294

0,8488 0,8438 0,8388 0,8338 0,8289

0,8483 0,8433 0,8383 0,8333 0,8285

0,8478 0,8428 0,8378 0,8328 0,8280

0,8473 0,8423 0,8373 0,8324 0,8275

0,8468 0,8418 0,8368 0,8319 0,8270

0,8463 0,8413 0,8363 0,8314 0,8265

0,8458 0,8408 0,8358 0,8309 0,8260

0,8453 0,8403 0,8353 0,8304 0,8256

40 41 42 43 44

0,8251 0,8203 0,8156 0,8109 0,8063

0,8246 0,8198 0,8151 0,8104 0,8058

0,8241 0,8193 0,8146 0,8100 0,8053

0,8236 0,8189 0,8142 0,8095 0,8049

0,8232 0,8184 0,8137 0,8090 0,8044

0,8227 0,8179 0,8132 0,8086 0,8040

0,8222 0,8174 0,8128 0,8081 0,8035

0,8217 0,8170 0,8123 0,8076 0,8031

0,8212 0,8165 0,8118 0,8072 0,8026

0,8208 0,8160 0,8114 0,8067 0,8022

45 46 47 48 49

0,8017 0,7972 0,7927 0,7883 0,7839

0,8012 0,7967 0,7923 0,7879 0,7835

0,8008 0,7963 0,7918 0,7874 0,7831

0,8003 0,7958 0,7914 0,7870 0,7826

0,7999 0,7954 0,7909 0,7865 0,7822

0,7994 0,7949 0,7905 0,7861 0,7818

0,7990 0,7945 0,7901 0,7857 0,7813

0,7985 0,7941 0,7896 0,7852 0,7809

0,7981 0,7936 0,7892 0,7848 0,7805

0,7976 0,7932 0,7887 0,7844 0,7800

50 51 52 53 54

0,7796 0,7753 0,7711 0,7669 0,7628

0,7792 0,7749 0,7707 0,7665 0,7624

0,7788 0,7745 0,7703 0,7661 0,7620

0,7783 0,7741 0,7699 0,7657 0,7616

0,7779 0,7736 0,7694 0,7653 0,7612

0,7775 0,7732 0,7690 0,7649 0,7608

0,7770 0,7728 0,7686 0,7645 0,7603

0,7766 0,7724 0,7682 0,7640 0,7599

0,7762 0,7720 0,7678 0,7636 0,7595

0,7758 0,7715 0,7674 0,7632 0,7591

55 56 57 58 59

0,7587 0,7547 0,7507 0,7467 0,7428

0,7583 0,7543 0,7503 0,7463 0,7424

0,7579 0,7539 0,7499 0,7459 0,7420

0,7575 0,7535 0,7495 0,7455 0,7416

0,7571 0,7531 0,7491 0,7451 0,7412

0,7567 0,7527 0,7487 0,7447 0,7408

0,7563 0,7523 0,7483 0,7443 0,7405

0,7559 0,7519 0,7479 0,7440 0,7401

0,7555 0,7515 0,7475 0,7436 0,7397

0,7551 0,7511 0,7471 0,7432 0,7393

60 61 62 63 64

0,7389 0,7351 0,7313 0,7275 0,7238

0,7385 0,7347 0,7309 0,7271 0,7234

0,7381 0,7343 0,7305 0,7268 0,7230

0,7377 0,7339 0,7301 0,7264 0,7227

0,7374 0,7335 0,7298 0,7260 0,7223

0,7370 0,7332 0,7294 0,7256 0,7219

0,7366 0,7328 0,7290 0,7253 0,7216

0,7362 0,7324 0,7286 0,7249 0,7212

0,7358 0,7320 0,7283 0,7245 0,7208

0,7354 0,7316 0,7279 0,7242 0,7205

01141_B_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

C 1 -2

17

— Planche 3 —

CORRESPONDANCE SPECIFIC GRAVITY - DEGRÉ API

Degrés

Dixièmes de degré A.P.I.

A.P.I.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

65 66 67 68 69

0.7201 0.7165 0.7128 0.7093 0.7057

0.7197 0.8161 0.7125 0.7089 0.7054

0.7194 0.7157 0.7121 0.7086 0.7050

0.7190 0.7154 0.7118 0.7082 0.7047

0.7186 0.7150 0.7114 0.7079 0.7043

0.7183 0.7146 0.7111 0.7075 0.7040

0.7179 0.7143 0.7107 0.7071 0.7036

0.7175 0.7139 0.7103 0.7068 0.7033

0.7172 0.7136 0.7100 0.7064 0.7029

0.7168 0.7132 0.7096 0.7061 0.7026

70 71 72 73 74

0.7022 0.6988 0.6953 0.6919 0.6886

0.7019 0.6984 0.6950 0.6916 0.6882

0.7015 0.6981 0.6946 0.6912 0.6879

0.7012 0.6977 0.6943 0.6909 0.6876

0.7008 0.6974 0.6940 0.6906 0.6872

0.7005 0.6970 0.6936 0.6902 0.6869

0.7001 0.6967 0.6933 0.6899 0.6866

0.6998 0.6964 0.6929 0.6896 0.6862

0.6995 0.6960 0.6926 0.6892 0.6859

0.6991 0.6957 0.6923 0.6889 0.6856

75 76 77 78 79

0.6852 0.6819 0.6787 0.6754 0.6722

0.6849 0.6816 0.6783 0.6751 0.6719

0.6846 0.6813 0.6780 0.6748 0.6716

0.6842 0.6809 0.6777 0.6745 0.6713

0.6839 0.6806 0.6774 0.6741 0.6709

0.6836 0.6803 0.6770 0.6738 0.6706

0.6832 0.6800 0.6767 0.6735 0.6703

0.6829 0.6796 0.6764 0.6732 0.6700

0.6826 0.6793 0.6761 0.6728 0.6697

0.6823 0.6790 0.6757 0.6725 0.6693

80 81 82 83 84

0.6690 0.6659 0.6628 0.6597 0.6566

0.6687 0.6656 0.6625 0.6594 0.6563

0.6684 0.6653 0.6621 0.6591 0.6560

0.6681 0.6649 0.6618 0.6588 0.6557

0.6678 0.6646 0.6615 0.6584 0.6554

0.6675 0.6643 0.6612 0.6581 0.6551

0.6671 0.6640 0.6609 0.6578 0.6548

0.6668 0.6637 0.6606 0.6575 0.6545

0.6665 0.6634 0.6603 0.6572 0.6542

0.6662 0.6631 0.6600 0.6569 0.6539

85 86 87 88 89

0.6536 0.6506 0.6476 0.6446 0.6417

0.6533 0.6503 0.6473 0.6444 0.6414

0.6530 0.6500 0.6470 0.6441 0.6411

0.6527 0.6497 0.6467 0.6438 0.6409

0.6524 0.6494 0.6464 0.6435 0.6406

0.6521 0.6491 0.6461 0.6432 0.6403

0.6518 0.6488 0.6458 0.6429 0.6400

0.6515 0.6485 0.6455 0.6426 0.6397

0.6512 0.6782 0.6452 0.6423 0.6394

0.6509 0.6479 0.6449 0.6420 0.6391

90 91 92 93 94

0.6388 0.6360 0.6331 0.6303 0.6275

0.6385 0.6357 0.6328 0.6300 0.6272

0.6382 0.6354 0.6325 0.6297 0.6269

0.6380 0.6351 0.6323 0.6294 0.6267

0.6377 0.6348 0.6320 0.6292 0.6264

0.6374 0.6345 0.6317 0.6289 0.6261

0.6371 0.6342 0.6314 0.6286 0.6258

0.6368 0.6340 0.6311 0.6283 0.6256

0.6365 0.6337 0.6309 0.6281 0.6253

0.6362 0.6334 0.6306 0.6278 0.6250

95 96 97 98 99

0.6247 0.6220 0.6193 0.6166 0.6139

0.6244 0.6217 0.6190 0.6163 0.6136

0.6242 0.6214 0.6187 0.6160 0.6134

0.6239 0.6212 0.6184 0.6158 0.6131

0.6236 0.6209 0.6182 0.6155 0.6128

0.6223 0.6206 0.6179 0.6152 0.6126

0.6231 0.6203 0.6176 0.6150 0.6123

0.6228 0.6201 0.6174 0.6147 0.6120

0.6225 0.6198 0.6171 0.6144 0.6118

0.6223 0.6195 0.6168 0.6141 0.6115

100 101 102 103 104

0.6112 0.6086 0.6060 0.6034 0.6009

0.6110 0.6083 0.6057 0.6032 0.6006

0.6107 0.6081 0.6055 0.6029 0.6003

0.6105 0.6078 0.6052 0.6026 0.6001

0.6102 0.6076 0.6050 0.6024 0.5998

0.6099 0.6073 0.6047 0.6021 0.5995

0.6096 0.6070 0.6044 0.6019 0.5993

0.6094 0.6068 0.6042 0.6016 0.5991

0.6091 0.6065 0.6039 0.6014 0.5988

0.6089 0.6062 0.6037 0.6011 0.5985

105 106 107 108 109

0.5983 0.5958 0.5933 0.5908 0.5884

0.5981 0.5955 0.5930 0.5906 0.5881

0.5978 0.5953 0.5928 0.5903 0.5879

0.5976 0.5950 0.5920 0.5901 0.5876

0.5973 0.5948 0.5923 0.5898 0.5874

0.5970 0.5945 0.5920 0.5896 0.5871

0.5968 0.5943 0.5918 0.5893 0.5869

0.5966 0.5940 0.5916 0.5891 0.5867

0.5963 0.5938 0.5913 0.5889 0.5864

0.5960 0.5935 0.5911 0.5886 0.5862

110 111 112 113 114

0.5859 0.5835 0.5811 0.5787 0.5764

0.5857 0.5833 0.5809 0.5785 0.5761

0.5854 0.5830 0.5806 0.5783 0.5759

0.5852 0.5828 0.5804 0.5780 0.5756

0.5849 0.5825 0.5802 0.5778 0.5754

0.5847 0.5823 0.5799 0.5776 0.5752

0.5845 0.5821 0.5797 0.5773 0.5750

0.5842 0.5818 0.5794 0.5771 0.5747

0.5840 0.5816 0.5792 0.5768 0.5745

0.5838 0.5813 0.5790 0.5766 0.5743

115 116 117 118 119

0.5740 0.5717 0.5694 0.5671 0.5649

0.5738 0.5715 0.5692 0.5669 0.5646

0.5736 0.5713 0.5690 0.5667 0.5644

0.5733 0.5710 0.5687 0.5665 0.5642

0.5731 0.5708 0.5685 0.5662 0.5640

0.5729 0.5706 0.5683 0.5660 0.5638

0.5726 0.5703 0.5681 0.5658 0.5635

0.5724 0.5701 0.5678 0.5656 0.5633

0.5722 0.5699 0.5676 0.5653 0.5631

0.5719 0.5696 0.5674 0.5651 0.5628

120 121 122 123 124

0.5626 0.5604 0.5582 0.5560 0.5538

0.5624 0.5602 0.5580 0.5558 0.5536

0.5622 0.5599 0.5578 0.5555 0.5534

0.5620 0.5597 0.5575 0.5553 0.5532

0.5617 0.5595 0.5573 0.5551 0.5530

0.5615 0.5593 0.5571 0.5549 0.5527

0.5613 0.5591 0.5569 0.5547 0.5525

0.5611 0.5589 0.5566 0.5545 0.5523

0.5608 0.5586 0.5564 0.5543 0.5521

0.5606 0.5584 0.5562 0.5540 0.5519

125 126 127 128 129 01141_B_F

0.5517 0.5495 0.5474 0.5453 0.5432

0.5514 0.5493 0.5472 0.5451 0.5430

0.5512 0.5491 0.5470 0.5448 0.5428

0.5510 0.5489 0.5467 0.5446 0.5426

0.5508 0.5487 0.5465 0.5444 0.5423

0.5506 0.5484 0.5463 0.5442 0.5421

0.5504 0.5482 0.5461 0.5440 0.5419

0.5502 0.5480 0.5459 0.5438 0.5417

0.5499 0.5478 0.5457 0.5436 0.5415

0.5497 0.5476 0.5455 0.5434 0.5413

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

C 1 -2

18

— Planche 4 —

VARIATION DE LA DENSITÉ DE QUELQUES LIQUIDES AVEC LA TEMPÉRATURE

Nom

Densité d

Formule -80°C

-60°C

-40°C

-20°C

0°C

20°C

Acétaldehyde

C 2H 4O

0,78

Acétate de butyle

C 6H12O2

0,882

Acétate d'éthyle

C 4H 8O 2

0,901

100°C

0,98

0,96

C 3H 6O

0,791

0,765

0,74

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

Benzène

C 6H 6

0,879

0,858

0,836

0,815

0,793

0,579

0,555

0,528

0,500

0,468

C 4H10

____________________

Chlore (liquide)

Cl2

Chlorobenzène

C 6H5Cl

Chloroforme

CHCl 3

Chlorure de méthyle

CH3Cl

Chlorure de méthylène

CH2Cl2

Chlorure de vinyle

C 2H3Cl

Cyclohexane

C 6H12

Diethylène glycol

C 4H10O3

Eau lourde

D 2O

Ethanol

C 2H 6O

Ethylène glycol

C 2H 6O 2

Formaldehyde

CH2O

Fréon 22

CHClF 2

Furfural

C 5H 4O 2

Glycérine

C 3H 8O 3

Méthanol

CH4O

Mercure

Hg

Nitrobenzène

C 6H5NO2

Oxyde d'éthylène

C 2H 4O

Propane (liquide)

C 3H 8

Soufre fondu

S

Styrène

C 8H 8

Tetrachl. de carbone

CCl4

Toluène

C 7H 8

Trichlorethylène

C 2HCl3

Urée (fondue)

CH4N2O m-xylène o-oxylène p-xylène

0,658

0,640

0,621

0,601

150°C

200°C

0,731

0,661

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

isobutane

Xylène

0,674

0,811

80°C

Acide acétique

n-butane

0,832

60°C

Acétone

Butane

0,855

40°C

C 8H10

1,571

0,605

0,584

0,559

0,534

0,505

1,522

1,448

1,411

1,348

1,279

1,203

1,13

1,108

1,087

1,065

1,04

1,02

0,96

0,896

1,56

1,52

1,48

1,43

1,40

1,36

1,32

1,21

1,06 0,90

1,113

1,64

1,60

1,101

1,067

1,031

0,997

0,960

0,921

0,881

0,837

0,790

0,733

1,49

1,455

1,42

1,385

1,35

1,318

1,28

1,248

1,212

1,175

1,06

1,06

1,03

1,00

0,975

0,945

0,915

0,88

0,845

0,80

0,745

0,51

0,78

0,76

0,74

0,72

1,135

1,122

1,107

1,091

1,075

1,06

1,02

1,105

1,105

1,10

1,09

1,07

1,04

0,99

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

1,285

1,213

1,133

0,855

0,835

0,82

0,957

0,815 1,512

1,465

1,411

1,350

1,16 0,880

0,624

0,862

0,603

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

0,553

13,64

13,60

13,55

13,50

1,203

1,182

1,163

1,142

1,122

1,071

1,018

0,95

0,92

0,891

0,864

0,834

0,804

0,78

00,75

0,63

0,579

0,556

0,530

0,502

0,469

0,433 1,80

1,78

0,845

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

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

1,335

D'après Document SIHI 01141_B_F

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C1

Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES PRESSION

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I-

PRESSION EXERCÉE PAR UN SOLIDE ............................................................................ 1 1 - Définition ................................................................................................................................. 1 2 - Unités de pression .................................................................................................................. 2

II -

PRESSION EXERCÉE PAR UN FLUIDE AU REPOS......................................................... 3 1 2 3 4

III -

-

Forces pressantes sur les parois ........................................................................................... 3 Force pressante en un point d’un fluide.................................................................................. 3 Différence de pression entre deux niveaux dans un fluide ..................................................... 4 Applications ............................................................................................................................. 5

PRESSION ATMOSPHÉRIQUE .......................................................................................... 6 1 - Existence et mesure de la pression atmosphérique ............................................................... 6 2 - Pression atmosphérique normale ........................................................................................... 7 3 - Exemple d’utilisation de la pression atmosphérique ............................................................... 8

IV -

PRESSION ABSOLUE- PRESSION RELATIVE - VIDE ...................................................... 8 1 2 3 4

V-

-

Définitions ............................................................................................................................... 8 Expressions du vide ................................................................................................................ 9 Pression différentielle............................................................................................................ 10 Applications ........................................................................................................................... 10

PRESSION DANS LES GAZ .............................................................................................. 11 1 - Enfermé dans une enceinte, un gaz y exerce une pression ................................................. 11 2 - Un gaz est compressible et expansible................................................................................. 12 3 - Dans un mélange gazeux, chaque constituant du mélange exerce une part de la pression appelée pression partielle ..................................................................................................... 13

VI - CONVERSION DES UNITÉS DE PRESSION ................................................................... 14

Ce document comporte 15 pages BA PHY - 00972_B_F - Rév. 5

26/01/2005 „ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-3

1

I-

C 1 -3

PRESSION EXERCÉE PAR UN SOLIDE 1-

DÉFINITION La pression mesure l’effet d’une force exercée sur une surface.

D TH 1029 A

C’est un fait d’observation courante qu’une même force exercée sur des surfaces différentes se traduit par des effets différents. C’est en particulier le cas lorsqu’on observe l’enfoncement dans le sable d’une même brique soumise à son propre poids selon la face sur laquelle on la pose.

Les empreintes constatées sont d’autant plus profondes que la brique est posée sur sa plus faible section. Pour caractériser cet effet, la pression P est définie comme le quotient de la force F par l’aire S sur laquelle elle s’exerce.

Pression P = Force F Aire S

S

D TH 1030 A

F

Cette formule de définition montre notamment que : • Pour une même surface pressée la pression est d’autant plus grande que la force pressante est plus importante. Deux marcheurs de poids différents, chaussés de raquettes identiques ne s’enfoncent pas de la même façon dans la neige. • Pour une même force pressante la pression exercée est d’autant plus faible que la surface pressée est plus grande et inversement. – L’intérêt du port des raquettes citées plus haut ou de skis est bien connu pour limiter l’enfoncement dans la neige. – Un clou s’enfonce d’autant plus facilement que sa pointe est fine. – Les matériels lourds tels que bacs de stockage, colonnes, échangeurs, pompes, compresseurs, etc. nécessitent d’être supportés par des massifs de surface importante plus ou moins grande selon leur poids et la résistance du sol.

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2

2-

C 1 -3

UNITÉS DE PRESSION a - Système International (SI) Les forces étant exprimées en newtons et les surfaces en mètres carrés, l’unité de pression est le newton par mètre carré (symbole : N/m2) qui s’appelle le pascal (symbole : Pa). P=

F S

F en N S en m 2 P en Pa Certains multiples du pascal sont également utilisés, en particulier : – le bar (symbole : bar) : unité de mesure industrielle 1 bar = 100 000 pascals 1 bar = 100 000 Pa – le millibar (symbole : mbar) 1 bar = 1000 mbar 1 mbar =

Pa

– le décapascal (symbole : daPa) pour exprimer les faibles différences de pression 1 daPa =

Pa

– l’hectopascal qui est égal à un millibar 1 hPa =

mbar

– le kilopascal (symbole : kPa) utilisé par les Anglo-saxons qui ignorent généra-lement le bar quand ils adoptent le système SI 1 kPa = 1000 Pa =

bar

b - Autres unités Dans le système anglo-saxon l’unité de pression est la “Pound per square inch” ou lbf/in 2 (symbole PSI), ce qui se traduit par livre force par pouce carré (1 “inch” ou pouce = 2,54 cm). 1 PSI = 0,069 bar 1 bar = 14,5 PSI Les pressions peuvent aussi s’exprimer en hauteurs de liquides (en particulier eau et mercure). Les correspondances entre hauteurs et pressions sont présentées dans le chapitre qui suit.

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3

II -

C 1 -3

PRESSION EXERCÉE PAR UN FLUIDE AU REPOS 1-

FORCES PRESSANTES SUR LES PAROIS Tous les fluides (liquides et gaz) exercent des forces pressantes sur les parois des récipients qui les contiennent. Ces poussées peuvent être mises en évidence par exemple en perçant des trous dans un récipient contenant de l’eau ou dans une baudruche gonflée d’air. Air

D TH 1031 A

Eau

FORCE PRESSANTE EN UN POINT D'UN FLUIDE

D TH 1038 A

Membrane

A1

A2

En tout point d’un fluide s’exerce également une pression dont on peut reconnaître l’existence à la déformation d’une membrane obturant l’orifice d’un vase plongé dans ce liquide. On constate par ailleurs que la pression est la même dans toutes les directions autour du point considéré et en tous les points d’un plan horizontal.

A3

A1

A2

A3 Plan horizontal

D TH 1039 A

2-

PA = PA = PA 1 2 3

La pression en un point ne dépend pas de la forme du récipient. Ceci peut se constater à la lecture des manomètres (appareils mesurant les pressions) placés à la base des récipients remplis d’un même liquide et représentés ci-dessous.

Liquide au repos D TH 1040 A

h

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4

DIFFÉRENCE DE PRESSION ENTRE DEUX NIVEAUX DANS UN FLUIDE B

L’expérience montre que la pression augmente avec la profondeur pour un fluide donné.

PA > PB A

D TH 1041 A

3-

C 1 -3

En effet, la surface unitaire autour du point A supporte le poids d’une colonne de fluide de hauteur supérieure à celle supportée par la surface unitaire autour du point B. Seule la différence de niveau entre A et B explique la différence de pression. Par ailleurs, si on mesure la pression en 2 points A et B dans un même plan horizontal à même profondeur en dessous de la surface libre mais surmontés de fluides différents, on constate que : PA est différent de PB A

PA ≠ PB

B

Liquide 1 de masse volumique

Liquide 2 de masse volumique

1

2

PA > PB lorsque le liquide1 est plus lourd que le liquide 2

D TH 1042 A

PA est supérieur à PB

Plus la masse volumique r du fluide est importante, plus la pression supportée à même profondeur est grande. Finalement la différence des pressions en 2 points situés à des niveaux différents d’un fluide en équilibre et distants d’une hauteur h s’exprime par : PA – PB = h x r x g = h x r x 9,8 avec h en m r en kg/m3 2 g = 9,8 m/s PA – PB en Pa

Dans la pratique industrielle on utilise plutôt le bar et, pour les liquides, la densité de préférence à la masse volumique. Cela conduit à la formule ci-contre permettant le calcul de DP lorsque hauteur et densité sont connues. La différence PA - PB est souvent notée DP, la lettre grecque D (delta) signifie “différence de”.

DP = PA – PB = DP h d

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hxd 10,2

en bar en m densité du liquide

5

C 1 -3

Inversement, toute pression ou différence de pression peut être exprimée en hauteur de liquide. La formule pratique permettant de traduire une pression en hauteur de liquide est :

h =

10,2 P (ou DP) d

h en m P ou DP en bar d densité du liquide

4-

APPLICATIONS • Une différence de niveau de 1 m d’eau à 4°C de masse volumique 1000 kg/m3 (ou densité = 1) correspond à une différence de pression de :

DP = h . r . g =

x

x

= 9800 pascals soit 0,098 bar

1 mm d’eau correspond alors à 9,8 pascals ou 0,98 décapascal. 1 mm d’eau ~ – 1 daPa Le daPa est utilisé en remplacement du mm d’eau pour exprimer les faibles différences de pression telles que les dépressions mesurées sur les fours et chaudières. • 1 bar correspond par ailleurs à une hauteur en eau de : h=

x

=

1 bar =

m m d’eau

• Une hauteur de 1 mm de mercure à 0 °C de densité 13,6 correspond à une différence de pression de :

DP = h x r x g = 1 mm de mercure = 133 Pa • Une différence de niveau de 1 m d’air de masse volumique 1,293 kg/m3 correspond à une différence de pression de :

DP =

x

x

=

Pa

1 m d’air = 12,8 Pa Dans un récipient rempli de gaz, l’accroissement de pression avec la profondeur est si faible que l’on admet que la pression est identique en tout point. Toutefois, pour des équipements de grandes hauteurs (cheminées, fours) la différence de pression entre base et sommet n’est plus négligeable.

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6

C 1 -3

• Déterminer la différence de pression entre la surface libre et le fond d’un bac de stockage contenant t un liquide de densité d 4 = 0,850 sachant que la hauteur de liquide dans le bac est de 15 m. h.d = 10,2

DP =

=

bar

III - PRESSION ATMOSPHÉRIQUE 1-

EXISTENCE ET MESURE DE LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE a - L’air qui nous entoure et qui constitue l’atmosphère est un fluide pesant. Cet air exerce une pression sur la surface de tous les corps qui y sont plongés. Dans une atmosphère calme, la pression en un point est due à la colonne d’air au-dessus de ce point. La mise en évidence de l’existence de la pression atmosphérique peut se faire par l’expérience dite de Torricelli. Elle est délicate à reproduire pratiquement en raison de la toxicité du mercure. Vide

F

G

B

C

H

I h

D

E

PA = PB = PC= PD= PE= Patm

D TH 1043 A

A

Un tube de verre d’environ 1 m de long fermé à une extrémité est rempli de mercure ; en le bouchant avec le pouce on le retourne en immergeant l’orifice dans une cuve à mercure. En enlevant le doigt on constate que le mercure descend et que son niveau se stabilise à une hauteur d’environ 76 cm en laissant le vide dans la partie supérieure.

Que le tube soit plus long, vertical ou penché, rectiligne ou sinueux, de section variable, on mesure toujours la même différence de niveau. La pression en A est la pression atmosphérique qui s’exerce sur la surface libre du mercure. A, B, C, D, E étant dans le même plan horizontal contenant cette surface libre subissent la même pression. La pression en F, G, H, I est la même, et presque égale au vide absolu. La pression atmosphérique équilibre donc la pression due à la hauteur de mercure. b - Le calcul de la pression atmosphérique n’est pas possible car, en particulier, on ne peut fixer la hauteur de l’atmosphère et les phénomènes météorologiques sont très complexes. On se contente de la mesurer avec des appareils appelés baromètres. Les baromètres à mercure sont des tubes de Torricelli (voir plus loin manomètres à mercure). Les baromètres métalliques utilisent la déformation de la face supérieure d’une boîte métallique soumise à la pression atmosphérique.

h

A

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D TH 1044 A

B

7

C 1 -3

Les mesures montrent que la pression atmosphérique diminue avec l’altitude (elle diminue de moitié tous les 5500 m environ) ; ainsi les baromètres peuvent être utilisés comme altimètres en traduisant les mesures de pression en altitude. Le tableau ci-après donne l’évolution de la pression atmosphérique et de la masse volumique de l’air avec l’altitude.

Altitude (m)

Pression atmosphérique (bar)

Masse volumique de l’air (kg/m 3 )

0

1,013

1,293

1000

0,899

1,112

5000

0,540

0,736

10 000

0,265

0,414

2 - PRESSION ATMOSPHÉRIQUE NORMALE La pression atmosphérique étant variable, on a été amené à définir la pression atmosphérique normale : c’est celle qui équilibre une colonne de 76 cm de mercure (symbole Hg) à 0 °C (densité : 13,595) soumise à l’accélération normale de la pesanteur (g = 9,80665 m/s2 ). La pression atmosphérique normale a conduit à la définition d’une nouvelle unité de pression : l’atmosphère (atm). En appliquant la relation P = h . r . g, on peut déterminer la relation entre atmosphère, pascals et bars.

Patm normale = 1 atm =

0,76 m

x

13595 kg/m3

Patm normale = 1 atm

9,80665 m/s 2

x

= = =

101325 1,013 1013

= 101 325 Pa

Pa bar mbar

Dans les calculs courants on se contente souvent de l’équivalence suivante : 1 atm ~ – 1 bar Application Un ballon est soumis à une pression de 5 bar. Quelle est la valeur de cette pression en atmosphère ?

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8

3-

C 1 -3

EXEMPLE D'UTILISATION DE LA PRESSION ATMOSPHÉRIQUE Piston

Certaines pompes volumétriques fonctionnent selon le principe suivant très simplifié.

Corps

Un piston se déplace dans un cylindre ou corps de pompe relié par une conduite à une nappe de liquide. Quand on soulève le piston, la pression diminue dans le corps de pompe et la pression atmosphérique qui s’exerce à la surface libre du liquide fait monter le liquide. Un jeu de clapets d’admission et de refoulement permet ensuite de refouler ce liquide dans une conduite ou une capacité.

Clapets atmosphérique

D TH 1045 A

Pression

IV - PRESSION ABSOLUE - PRESSION RELATIVE - VIDE 1-

DÉFINITIONS La pression relative est la différence entre la pression réelle ou pression absolue et la pression atmosphérique. Elle exprime donc un niveau de pression par rapport à un niveau de référence qui est la pression atmosphérique alors que la pression absolue exprime ce même niveau de pression par rapport au niveau de pression nulle.

Pression mesurée

SOUS VIDE

Prel.

D TH 1047 A

Pression atmosphérique

Pression relative

Pression absolue

P

SOUS PRESSION

Pabs. Vide absolu ou pression 0

Pression relative = pression absolue – pression atmosphérique Application : La pression à l’intérieur d’une sphère de stockage de butane est de 3 bar (indication du manomètre). Quelles sont les pressions absolues et relatives ? Pabs =

bar

Prel. =

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bar

9

C 1 -3

Lorsque la pression absolue d’une capacité est inférieure à la pression atmosphérique, on dit que cette capacité est sous-vide. Les notions de pressions absolues et relatives appellent plusieurs remarques :

2-

•

La pression relative s’appelle aussi pression effective.

•

Les manomètres industriels à tube de bourdon donnent des indications de pression relative ; dans le cas de pression absolue cela est clairement indiqué sur l’appareil.

•

Si la pression relative de fonctionnement d’une installation est positive (P absolue > P atm) tout défaut d’étanchéité se traduit par une fuite de fluide vers l’extérieur ; ceci peut être dangereux si le fluide est inflammable, toxique ou très chaud.

•

Si la pression relative est négative (P abs. < P atm) il y aura risque d’entrée d’air (dangereux par exemple en mélange avec des hydrocarbures). De plus les forces dues à la différence de pression s’exercent de l’extérieur vers l’intérieur ce qui peut provoquer une implosion de la capacité.

EXPRESSIONS DU VIDE Le schéma ci-dessous illustre sur un exemple les deux expressions possibles du vide en pression absolue ou en pression relative. Échelle de pression absolue

Échelle de pression relative Pression atmosphérique normale

Pression atmosphérique normale

760 mHg

0

Pression mesurée

D TH 1048 A

Pression = - 710 mm de Hg relative

Pression absolue = + 50 mm de Hg Vide absolu

-760 mHg

0

On obtient ainsi les deux valeurs • en pression relative : – 710 mm de mercure relatifs ou une dépression de 710 mmHg • en pression absolue : + 50 mm de mercure absolus Application : Une colonne fonctionne sous une dépression de 0,8 bar. Indiquer sa pression de fonctionnement en bars eff et en bars abs. Pabs =

bar

Prel. =

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bar

10

3-

C 1 -3

PRESSION DIFFÉRENTIELLE

Pression en bar rel.

9

7,3

D TH 1049 A

Une pression différentielle est une différence entre deux pressions :

Sens de circulation Vanne de régulation Dans l’exemple correspondant au schéma ci-dessus, la pression différentielle de la vanne, notée souvent DP, est : DP = 9 – 7,3 = 1,7 bar On constate que si les pressions mesurées étaient exprimées en bar absolu, la valeur de la pression différentielle resterait inchangée.

4-

APPLICATIONS •

Expression de la pression atmosphérique normale en PSI. Patm. norm. = 1,013 bar soit 1,013 x 14,5 = 14,7 PSI

• Transformation d’une pression absolue (en bar) en pression relative (en PSI). Une pression absolue de 2 bar soit 29 PSI correspond à une pression relative de : 29 – 14,7 = 14,3 PSI On note en général : Pression absolue

= 2 bar abs = 29 PSI A (A = absolute)

et

Pression relative

= 0,99 bar rel. = 14,3 PSI G (G = gauge)

• Dans certaines installations, la pression d’air utilisée sur les appareils d’instrumentation et de régulation est exprimée en PSIG et varie dans la plage de 3 psig - 15 psig. Traduire ces pressions en pressions absolues exprimées en bar.

3 psig =

bar

15 psig =

bar

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11

V-

C 1 -3

PRESSION DANS LES GAZ 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. Ces molécules sont toutes identiques dans le cas d'un corps pur et elles sont de plusieurs espèces dans le cas de mélanges. Cette structure particulière confère au gaz un CERTAIN NOMBRE DE PROPRIéTéS.

1-

ENFERMÉ DANS UNE ENCEINTE, UN GAZ Y EXERCE UNE PRESSION

D SEC 010 A

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.

Molécules de gaz

Cette pression exercée par le gaz dépend du nombre de chocs par unité de surface (Pression = Force/Surface), elle est donc fonction :

– du nombre de molécules de gaz, c’est-à-dire de la quantité de gaz enfermée dans le ballon. On peut remarquer à ce sujet qu'un récipient vide de toute molécule est soumis à une pression intérieure nulle. – de la surface offerte aux chocs, c’est-à-dire des dimensions du ballon ou appareillage contenant le gaz. On peut ainsi accroître la pression d’un gaz par réduction du volume qui lui est offert comme c’est le cas dans un compresseur alternatif. – de l’agitation des molécules L’agitation des molécules constituant un gaz augmente avec la température. Quand on chauffe un gaz on peut observer les deux phénomènes suivants : •

à volume constant, l’accroissement de l’agitation et donc du nombre de chocs provoque une augmentation de pression

P1

P2

P2 > P1 t2 > t1 t1

t2

00972_B_F

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D TH 1050 A

Chauffage

12

C 1 -3

• à pression constante (cas d’un cylindre muni d’un piston libre étanche) l’accroissement de l'agitation conduit à la dilatation du gaz et à une augmentation de volume P

Chauffage

V2 > V1 t2 > t1

V2

V1 t1

2-

D TH 1051 A

P

t2

UN GAZ EST COMPRESSIBLE ET EXPANSIBLE Le libre déplacement des molécules fait qu’un gaz occupe tout le volume qui lui est offert, on dit qu’il est EXPANSIBLE. 0

Fermé

P

P

Ouvert

Po

D TH 1052 A

Vide

Molécules de gaz Après ouverture du robinet d’isolement le gaz se répartit dans les deux ballons jusqu’à l’égalisation des pressions. Celle du premier ballon diminue, celle du second qui était nulle au départ (vide) augmente. De même un gaz est COMPRESSIBLE car on peut rapprocher les molécules qui le composent en diminuant le volume qui lui est offert. C’est le cas dans un cylindre de compression. P1 P2

D TH 1053 A

P2 > P1

Même quantité de gaz

00972_B_F

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13

3-

C 1 -3

DANS UN MÉLANGE GAZEUX, CHAQUE CONSTITUANT DU MÉLANGE EXERCE UNE PART DE LA PRESSION APPELÉE PRESSION PARTIELLE Le schéma ci-dessous représente un mélange gazeux de 3 constituants enfermé dans une enceinte.

t

Molécules de gaz

1

Molécules de gaz

2

Molécules de gaz

3

D TH 1054 A

P

La pression totale exercée par le mélange à la température t est P. Cette pression totale résulte des pressions exercées par chacun des gaz, soit : PP1 pression partielle du gaz 1 PP2 pression partielle du gaz 2 PP3 pression partielle du gaz 3 La pression totale est en conséquence la somme des pressions partielles, soit : P = PP1 + PP2 + PP3 Parallèlement, la pression exercée par un gaz étant le résultat des chocs des molécules de ce gaz sur la paroi, on peut concevoir que la pression partielle d’un constituant dépend directement du pourcentage molaire de ce constituant dans le gaz et peut être obtenue par la formule PPgaz = P •

P PP

% mol. gaz 100

pression totale pression partielle du gaz

même unité pour P et pour PP

Application Le pourcentage molaire d’oxygène dans l’air est 20 %. Déterminer la pression partielle d’oxygène : • dans l’air ambiant PPO2 =

=

atm

=

bar

• dans l’air comprimé à 7 bar PPO2 =

00972_B_F

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14

C 1 -3

VI - CONVERSION DES UNITÉS DE PRESSION

Unité

Facteur multiplicatif pour convertir en :

Symbole Pa

bar

kgf/cm2

atm

psi

mm eau

7,500.10–3

0,10197

pascal

Pa

1

10–5

1,0197.10–5

bar

bar

100 000

1

1,0197

0,9869

14,50

750,06

10197,2

kgf/m2

98066,5

0,98066

1

0,96784

14,2234

735,56

10 000

atmosphère

atm

101325

1,01325

1,0332

1

14,6959

760

10332,3

pound per square inch

psi

6894,76

0,06895

0,0703

0,06805

1

57,715

703,07

millimètre de mercure

mm Hg

133,32

1,333.10–3

1,359.10–3

1,316.10–3

0,01934

1

13,595

millimètre d’eau

mm eau

9,80665

9,8067.10–5

10–4

9,678.10–3

1,422.10–3

0,0736

1

kilogramme-force par centimètre carré

9,869.10–6 10450.10–4

mmHg

Applications • Un appareillage supporte une pression P = 7,6 bar. Convertir cette pression en kgf/cm2, atm, psi, mmHg. P = 7,6 bar = 7,6 x 1,0197

=

kgf/cm 2

P = 7,6 bar = 7,6 x

=

atm

P = 7,6 bar = 7,6 x 14,5

=

psi

P = 7,6 bar = 7,6 x

=

mmHg

00972_B_F

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Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES TEMPÉRATURE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I-

C1

ÉCHELLES DE TEMPÉRATURE.............................................................................................. 1 1 - Échelles Celsius et Fahrenheit .....................................................................................................1 2 - Échelle absolue ou Kelvin .............................................................................................................2

II -

EFFETS DE LA TEMPÉRATURE ............................................................................................. 3 1 - Agitation moléculaire, réactions chimiques ................................................................................... 3 2 - Dilatation des tuyauteries.............................................................................................................. 3 3 - Dangers de la température ...........................................................................................................6

III -

CONVERSION DES TEMPÉRATURES ................................................................................... 7

Ce document comporte 9 pages BA PHY - 02105_A_F - Rév. 2

26/01/2005 „ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-4

1

I-

C 1 -4

ÉCHELLES DE TEMPÉRATURE Les températures sont repérées grâce à des échelles de température dont les plus courantes sont : – l’échelle Celsius – l’échelle Fahrenheit (système anglo-saxon) – l’échelle Kelvin

1-

LES ÉCHELLES CELSIUS ET FAHRENHEIT Elles ont pu être établies grâce à des phénomènes physiques qui se produisent à température fixe. Dans le domaine des températures courantes, ces températures fixes sont relatives à : – la fusion de la glace sous la pression atmosphérique normale – la température d’ébullition de l’eau sous la pression atmosphérique normale Dans l’échelle Celsius (°C) on a affecté à ces températures les valeurs respectives de 0°C et 100°C. Ces deux valeurs peuvent être reportées sur un tube capillaire dans lequel un liquide se dilate.

73

Valeur

0°C

Valeur 100°C

770

0

760

mmHg

Baromètre

Eau à ébullition D ANA 2015 A

eau + glace

Ensuite, l’intervalle entre les repères 0 et 100 est divisé en 100 parties égales ; chaque intervalle valant 1°C. On extrapole ensuite en dessous de 0°C et au-dessus de 100°C. Dans l’échelle Fahrenheit (°F) la fusion de la glace correspond à 32°F, l’ébullition de l’eau sous 1 atm à 212°F. La correspondance entre les deux échelles est donc la suivante :

°C Ébullition eau sous 1 atm

100°C

212°F

1°C

1,8°F

1 1,8 °C

1°F

0°C

32°F

-17,8°C

0°F D ANA 2014 A

Fusion glace sous 1 atm

°F

02105_A_F

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2

C 1 -4

Les formules suivantes peuvent être utilisées pour convertir une température d’une échelle dans une autre. — Passage de °C à °F ( t°C connue) t °F = 1,8 x t°C + 32 — Passage de °F à °C ( t°F connue) t°C =

t°F – 32 1,8

Certains essais de contrôle des produits pétroliers se font à des températures repérées en °F, par exemple : – la tension de vapeur du propane à 100°F soit 37,8°C – la viscosité des huiles à 210°F soit 98,9°C

2-

ÉCHELLE ABSOLUE OU KELVIN Les zéros des échelles Celsius ou Fahrenheit sont des points de référence arbitraires. En réalité il existe un zéro absolu qui correspond à l’arrêt de toute agitation de la matière. C’est la plus basse température susceptible d’être atteinte dans l’univers. Dans l’échelle Celsius elle vaut – 273,15°C. Le zéro absolu est le zéro de l’échelle Kelvin et le Kelvin (K) est égal au degré Celsius (°C) en tant qu’intervalle ou différence de température.

Échelle Celsius

Échelle Kelvin K

°C

100

373 1°C = 1 K 1°C

1K

- 273,15

273

0

Zéro absolu

D ANA 2016 A

0

Les deux échelles sont décalées de 273,15 K et la conversion d’une température de °C en K se fait par la formule simple suivante : T en K –~ t en °C + 273 Il est à noter que le système Anglo-Saxon utilise une échelle absolue en Rankine (R) dans laquelle l’intervalle de température de 1 R est égal à 1°F.

02105_A_F

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3

C 1 -4

Application : Indiquer la valeur en °C ou en K des températures suivantes : K t ébullition de l’hélium

3,2

t ébullition de l’hydrogène

20,4

t ébullition de l’azote

77,3

t ébullition du méthane

II -

°C

– 161,5

EFFETS DE LA TEMPÉRATURE 1-

AGITATION MOLÉCULAIRE - RÉACTIONS CHIMIQUES A l’échelle des molécules ou des atomes, une température correspond à un certain niveau d’agitation. Quand on élève la température, il en résulte une agitation plus intense qui se traduit : • pour les gaz, par une augmentation de pression ou de volume • pour les liquides et les solides, par une augmentation de volume (dilatation), c’est-àdire une diminution de leur densité Ces phénomènes de dilatation sont très importants. Ils expliquent par exemple : – le tracé sinueux de certaines tuyauteries qui doivent pouvoir se dilater (lyres de dilatation) – les précautions à prendre quand il s’agit d’isoler un appareil chaud ou de mettre en service un appareil froid Pour un échangeur par exemple, le processus d’isolement de l’appareil doit tenir compte de la différence de dilatation entre faisceau et calandre. La température permet à certaines réactions chimiques de se produire et est un facteur essentiel de contrôle de leur déroulement (craquage, polymérisation, alkylation, …).

2-

DILATATION DES TUYAUTERIES Sous l’effet d’une élévation de température, une tige ou une tuyauterie s’allonge ; l’augmentation de longueur DL est d’autant plus grande que : – la longueur L de la tuyauterie est grande – l’augmentation de température Dt est grande – le coefficient de dilatation linéaire k est grand DL = k . L . Dt DL L Dt k

= = = =

allongement en mm longueur en m élévation de température en °C coefficient de dilatation linéaire en mm/m.°C

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4

C 1 -4

Le coefficient de dilatation linéaire k représente l’allongement d’une conduite de 1 m sous l’effet d’une élévation de température de 1°C. Pour les métaux habituels, k vaut environ : k ~– 0,01 mm/m.°C Matériaux

k en mm/m.°C

Acier Cuivre Aluminium Plomb ou zinc P.V.C. PE

0,017 0,022 0,029 0,080 0,210

Le tableau en annexe donne l'allongement en mm/m pour des intervalles de température à partir de 21°C, c'est-à-dire k (T – 21°C). Application – Quel est l'allongement d'une tuyauterie de 100 m dont la température s'élève de 1°C (k = 0,01 mm/m.°C).

DL = k . L . Dt =

x

x

=

m

=

cm

– Une tuyauterie de 200 m de longueur transporte de la vapeur HP à 450°C. De combien s'allonge-t-elle par rapport à la température ambiante si elle est en acier au carbone ? Et si elle était en acier inox (austénitique 18/8) ? T

=

°C

k (T – 21)

=

mm/m lu sur le tableau de la dernière page

DL = L [k (T – 21)] =

x

=

mm

Sur une tuyauterie liée à ses deux extrémités les écarts de température sont la cause de déformations provoquant l'apparition de contraintes. Celles-ci vont se cumuler à celles dues au poids et à la pression et peuvent entraîner des déformations permanentes, des arrachements de supports voire des ruptures de tuyauteries. Il est donc nécessaire, suivant les cas : – d'adopter un tracé non rectiligne pour permettre la dilatation avec des points d'ancrages fixes judicieusement choisis et même prévoir des lyres de dilatation – d'utiliser des éléments flexibles : soufflets, compensateurs divers, supports et guides glissants, …

02105_A_F

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5

C 1 -4

Support à ressort

D MEQ 2032 A

Soufflets de dilatation

D MEQ 2033 A

Quelques exemples en sont donnés ci-dessous :

Pendant à ressort

Patins guidés

b - Dilatation des équipements La plupart des équipements travaillent à des températures différentes de la température ambiante ou ont des caractéristiques dimensionnelles qui évoluent avec les conditions atmosphériques. Quelques exemples de précautions à prendre qui en découlent : – double paroi gaufrée sur des réservoirs cryogéniques – absence de liaison fixe entre équipement et structure d'accès (plate-forme, escalier, …) – échangeur à tête flottante lorsque l'écart de températures entre fluide chaud et fluide froid est important entrée fluide côté calandre

sortie fluide côté tubes calandre

tubes

plaque tubulaire

Tête flottante

D MTE 003 E

cloison séparation de passes

chicanes

boîte de distribution sortie fluide entrée fluide côté calandre côté tubes

02105_A_F

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6

Les trous oblongs correspondent au pied glissant

D MEQ 2034 A

– pieds supports permettant la libre dilatation de la calandre d'un échangeur ou de la virole d'un ballon

C 1 -4

c - Dilatation des liquides Tout liquide tend à se dilater quand la température augmente ; il y a 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.

3-

DANGERS DE LA TEMPÉRATURE a - Combustion Si on a en présence : – un combustible et un comburant (air) dans certaines proportions – un point chaud il y a risque de combustion. Ainsi, un brûleur de four réalise le mélange air-fuel dans les proportions correctes : pour l’allumage, le point chaud est constitué par un allumeur électrique ou une torche enflammée. Il y a donc danger chaque fois qu’un produit inflammable s’écoule à l’air libre et rencontre un point chaud. Cela risque de se produire lors d’une fuite située au-dessus d’une tuyauterie chaude par exemple. b - Brûlures En usine, de nombreux ballons, colonnes, tuyauteries contiennent et véhiculent des produits à hautes températures et tout n’est pas calorifugé ; même en présence de calorifuge il est nécessaire de prendre toutes précautions pour ne pas se brûler ; en particulier, le port de gants de cuir est utile voire même obligatoire. c - Solidification C’est essentiellement la température qui provoque la fusion ou la congélation (solidification) des produits. La solidification de l’eau s’accompagne en particulier d’une dilatation volumique qui peut être la cause de dégradation des capacités, des tuyauteries, des réseaux d’air instrument, … d - Vaporisation Une élévation de température peut aussi provoquer la vaporisation d’un liquide. Le volume occupé par la vapeur ainsi produite est considérablement plus grand que celui du liquide, de ce fait, la vaporisation brutale d’une quantité d’eau même faible peut provoquer des dégradations importantes (explosion, soufflage des internes d’une colonne, …).

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7

C 1 -4

III - CONVERSION DES TEMPÉRATURES

Température t dans l’échelle

Équivalence dans l’échelle Kelvin

Celsius

Fahrenheit

Rankine

Kelvin (K)

t

t – 273,15

9/5 (t–273,15) + 32

1,8 . t

Celsius (C)

t + 273,15

t

1,8 . t + 32

1,8 . t + 491,7

Fahrenheit (°F)

(t + 459,7)/1,8

(t – 32)/1,8

t

t + 459,7

Rankine (R)

t/1,8

(t – 491,7)/1,8

t – 459,7

t

02105_A_F

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C 1 -4 DILATATION LINÉAIRE DES MÉTAUX

Acier au carbone et chrome-molybdène 3 % Cr-Mo

Aciers à 5 % Cr-Mo ou 9 % Cr-Mo

Aciers austénitiques 18 % Cr-8 % Mo

Aciers Inox 12 % Cr - 17 % Cr 27 % Cr

Aciers 25 % Cr - 20 % Ni

Monel 67 % Ni - 30 % Cu

3 1/2 Nickel

Aluminium

Bronze

Laiton

Fer forgé

Cupro-nickel 70 % Cu - 30 % Ni

– 198 – 184 – 169 – 157 – 143

– 1,975 – 1,866 – 1,758 – 1,650 – 1,541

– 1,85 – 1,75 – 1,65 – 1,55 – 1,45

– 3,20 – 3,02 – 2,84 – 2,65 – 2,46

– 1,7 – 1,6 – 1,5 – 1,4 – 1,3

– 2,50 – 2,35 – 2,21 – 2,07 – 1,93

– 2,18 – 2,08 – 1,98 – 1,88 – 1,78

– 1,85 – 1,75 – 1,65 – 1,55 – 1,45

– 3,90 – 3,71 – 3,50 – 3,30 – 3,09

– 3,31 – 3,11 – 2,91 – 2,71 – 2,51

– 3,23 – 3,03 – 2,83 – 2,63 – 2,44

– 2,25 – 2,12 – 2,00 – 1,87 – 1,75

– 2,62 – 2,39 – 2,25 – 2,10 – 1,96

– 129 – 115 – 101 – 87 – 73

– 1,425 – 1,316 – 1,208 – 1,083 – 0,958

– 1,35 – 1,25 – 1,141 – 1,025 – 0,900

– 2,28 – 2,08 – 1,89 – 1,67 – 1,45

– 1,21 – 1,12 – 1,03 – 0,92 – 0,81

– 1,79 – 1,65 – 1,50 – 1,33 – 1,15

– 1,68 – 1,58 – 1,49 – 1,32 – 1,15

– 1,35 – 1,25 – 1,15 – 1,02 – 0,90

– 2,86 – 2,63 – 2,40 – 2,14 – 1,89

– 2,31 – 2,11 – 1,92 – 1,71 – 1,50

– 2,25 – 2,05 – 1,86 – 1,66 – 1,46

– 1,62 – 1,50 – 1,39 – 1,24 – 1,09

– 1,82 – 1,76 – 1,62 – 1,45 – 1,27

– 60 – 46 – 31 – 17,8 – 3,9

– 0,833 – 0,700 – 0,566 – 0,408 – 0,266

– 0,783 – 0,658 – 0,525 – 0,383 – 0,250

– 1,25 – 1,03 – 0,81 – 0,60 – 0,38

– 0,70 – 0,60 – 0,47 – 0,35 – 0,22

– 0,98 – 0,81 – 0,65 – 0,47 – 0,30

– 0,98 – 0,81 – 0,65 – 0,47 – 0,30

– 0,77 – 0,65 – 0,51 – 0,38 – 0,25

– 1,64 – 1,39 – 1,10 – 0,80 – 0,52

– 1,30 – 1,10 – 1,04 – 0,64 – 0,40

– 1,26 – 1,07 – 0,85 – 0,62 – 0,40

– 0,94 – 0,80 – 0,63 – 0,46 – 0,30

– 1,10 – 0,94 – 0,74 – 0,55 – 0,35

10 21 38 52 66

– 0,116 0 0,191 0,350 0,508

– 0,10 0 0,183 0,333 0,483

– 0,17 0 0,28 0,51 0,75

– 0,1 0 0,16 0,30 0,44

– 0,13 0 0,23 0,42 0,61

– 0,16 0 0,23 0,42 0,61

– 0,11 0 0,183 0,333 0,483

– 0,23 0 0,38 0,70 1,02

0 0,17 0,31 0,45

– 0,18 0 0,30 0,55 0,80

– 0,17 0 0,29 0,53 0,78

– 0,13 0 0,21 0,40 0,58

– 0,15 0 0,25 0,45 0,68

80 93 107 121 135

0,666 0,825 1,008 1,166 1,341

0,633 0,783 0,941 1,108 1,266

0,98 1,21 1,45 1,69 1,93

0,57 0,71 0,86 1,00 1,15

0,81 1,0 1,20 1,41 1,61

0,81 1,0 1,20 1,41 1,61

0,63 0,78 0,94 1,10 1,26

1,35 1,66 2,00 2,35 2,70

0,60 0,75 0,90 1,05 1,20

1,05 1,30 1,55 1,80 2,06

1,02 1,26 1,52 1,79 2,04

0,76 0,95 1,14 1,33 1,52

0,89 1,10 1,32 1,55 1,77

149 163 177 190 204

1,516 1,700 1,883 2,066 2,250

1,425 1,583 1,750 1,916 2,083

2,17 2,41 2,66 2,91 3,16

1,30 1,45 1,60 1,75 1,91

1,81 2,02 2,24 2,45 2,66

1,84 2,02 2,24 2,42 2,70

1,40 1,56 1,73 1,89 2,05

3,05 3,40 3,76 4,12 4,49

1,36 1,52 1,69 1,85 2,01

2,32 2,59 2,85 3,11 3,37

2,30 2,56 2,84 3,10 3,37

1,71 1,90 2,10 2,30 2,50

2,00 2,23 2,46 2,70 2,93

218 232 246 260 274

2,441 2,633 2,825 3,016 3,216

2,266 2,441 2,616 2,791 2,983

3,41 3,67 3,92 4,17 4,42

2,08 2,24 2,40 2,56 2,73

2,88 3,10 3,31 3,53 3,75

2,93 3,15 3,38 3,60 3,84

2,24 2,42 2,60 2,78 2,97

4,85 5,23 5,60 5,97 6,35

2,18 2,35 2,52 2,70 2,88

3,64 3,90 4,17 4,44 4,70

3,65 3,93 4,21 4,50 4,79

2,70 2,91 3,11 3,32 3,54

288 302 316 330 343

3,425 3,625 3,833 4,050 4,258

3,166 3,350 3,583 3,725 3,908

4,68 4,94 5,20 5,45 5,72

2,90 3,07 3,25 3,41 3,59

3,99 4,21 4,44 4,66 4,90

4,08 4,31 4,55 4,79 5,04

3,16 3,35 3,55 3,75 3,95

6,75 7,13 7,52

3,05 3,24 3,42 3,61 3,80

4,98 5,25 5,53 5,80 6,07

5,08 5,37 5,66 5,96 6,27

3,75 3,96 4,17 4,27 4,60

357 371 385 399 413

4,475 4,691 4,916 5,133 5,358

4,100 4,283 4,483 4,683 4,883

5,98 6,25 6,51 6,79 7,05

3,76 3,94 4,11 4,30 4,48

5,13 5,36 5,60 5,85 6,09

5,28 5,53 5,78 6,04 6,29

4,15 4,36 4,58 4,80 5,01

4,00 4,19 4,38 4,58 4,78

6,35 6,62 6,90 7,18 7,46

6,57 6,88 7,20 7,51 7,83

4,83 5,05 5,26 5,49 5,70

427 440 454 470 482

5,583 5,808 6,041 6,275 6,508

5,083 5,283 5,491 5,691 5,891

7,33 7,60 7,88 8,15 8,43

4,66 4,85 5,04 5,22 5,40

6,33 6,57 6,82 7,06 7,31

6,54 6,80 7,06 7,33 7,60

5,22 5,45 5,67 5,90 6,12

4,98 5,18 5,39 5,60 5,80

7,75 8,03 8,32 8,60 8,90

8,15 8,47 8,80 9,13 9,45

5,93 6,16 6,40 6,64 6,88

496 510 524 538 552

6,733 6,958 7,183 7,408 7,641

6,091 6,30 6,508 6,716 6,916

8,71 9,00 9,28 9,56 9,85

5,59 5,78 5,97 6,16 6,35

7,55 7,80 8,05 8,29 8,53

7,86 8,14 8,40 8,68 8,95

6,43 6,74 7,05 7,35 7,48

6,02 6,25 6,46 6,68

9,18 9,47 9,75 10,04 10,33

9,79 10,13 10,47 10,81 11,15

7,10 7,34 7,56 7,80

566 580 593 607 621

7,883 8,125 8,366 8,591 8,808

7,124 7,333 7,541 7,733 7,933

10,05 10,41 10,71 10,98 11,26

6,62 6,81 6,92 7,10 7,30

8,78 9,02 9,26 9,50 9,75

9,24 8,69 9,80 10,09 10,39

7,61 7,74 7,87 8,15 8,42

10,63 10,92 11,22

11,50 11,85 12,20

635 649 663 677 690

9,025 9,250 9,483 9,716 9,950

8,133 8,333 8,550 8,775 8,991

11,55 11,83 12,11 12,40 12,68

7,48 7,66 7,85 8,04 8,23

10,00 10,25 10,49 10,73 10,97

10,67 10,95 11,25 11,55 11,85

8,70 8,98

704 718 732 746 760

10,183 10,416 10,650 10,883 11,116

9,216 9,416 9,625 9,833 10,041

12,96 13,25 13,53 13,81 14,10

8,42 8,60 8,80 8,98 9,17

11,21 11,45 11,70 11,95 12,20

12,15 12,45 12,75 13,05 13,35

744 788 802 816

Fonte grise

Température T (°C)

Dilatation linéaire des métaux, en mm/m entre une température de pose de 21°C et la température T.

14,41 14,74 15,06 15,39

02105_A_F

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Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

CHALEUR

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - PHÉNOMÈNES PHYSIQUES ................................................................................................... 1 II - UNITÉS DE QUANTITÉ DE CHALEUR .................................................................................... 3 III - CHALEUR SENSIBLE............................................................................................................... 4 1 2 3 4

-

Notion de chaleur massique .............................................................................................................4 Calcul d’une quantité de chaleur sensible ........................................................................................ 5 Débit de chaleur - Notion de bilan thermique ................................................................................... 7 Limites d’application .........................................................................................................................9

IV - CHALEUR LATENTE .............................................................................................................. 10 1 2 3 4

-

Exemple d’installation avec mise en œuvre de chaleur latente ...................................................... 10 Chaleur latente de vaporisation ou de condensation des corps purs ............................................. 11 Chaleur latente de vaporisation ou de condensation des mélanges .............................................. 12 Expression d’une quantité de chaleur latente................................................................................. 12

V - EXEMPLE DE MISE EN ŒUVRE DE CHALEUR SENSIBLE ET DE CHALEUR LATENTE.. 13

Ce document comporte 15 pages BA TCH - 01664_A_F - Rév. 9

03/08/2005  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

-5

1

I-

C 1 -5

LES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES : Conséquences d’un apport ou d’un retrait de chaleur Un apport de chaleur à un corps peut avoir les deux conséquences suivantes : – augmenter la température du corps – provoquer le changement d’état physique du corps, ce qui signifie • fusion pour un solide • vaporisation pour un liquide Un retrait de chaleur a les conséquences inverses : – diminution de la température du corps – changement d’état physique, soit dans ce cas : • condensation pour une vapeur • solidification pour un liquide Selon l'effet produit par les apports et les retraits de chaleur, on distingue : – d’une part, les apports ou retraits de chaleur qui produisent une variation de température sans changer l’état physique du corps, on parle alors de : CHALEUR SENSIBLE – d’autre part, les apports ou retraits de chaleur produisant un changement d’état physique, il s’agit alors de : CHALEUR LATENTE Les changements d’état physique se font à température constante quand il s’agit de corps purs mais ils s’accompagnent de variation de température dans le cas des mélanges. Les exemples ci-après montrent des conditions de mise en œuvre de chaleurs latente et sensible. Exemple 1 : Chauffage et refroidissement d’une petite quantité d’eau liquide.

Augmentation de température

100°C

Température stable

20°C Vaporisation de l’eau

Eau liquide

Apport de chaleur sensible

Apport de chaleur latente

Gaz

1

L’apport de chaleur provoque l’élévation de la température de l’eau

01664_A_F

Gaz

2

L’apport de chaleur provoque la vaporisation de l’eau (sans changement de température)

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D ANA 134 A

Eau pure

2

C 1 -5

Diminution de température 80°C Eau liquide

3

Les pertes de chaleur provoquent une diminution de la température de l’eau

D ANA 133 A

Pertes de chaleur sensible

Exemple 2 : Réchauffage d’un pétrole brut avant distillation Avant d’entrer dans la colonne de distillation atmosphérique, le pétrole brut subit deux opérations distinctes : – il est d’abord préchauffé à l’état liquide dans une série d’échangeurs de chaleur, sa température croît sans qu’il y ait vaporisation. Il a reçu une quantité de chaleur sensible. – il est ensuite partiellement vaporisé dans les tubes d’un four avant de pénétrer dans la colonne. On lui fournit alors de la chaleur latente. Comme il s’agit d’un mélange, la température du pétrole brut continue à augmenter pendant sa vaporisation.

Train d'échange

Four Colonne

D ANA 136 A

Pétrole Brut

Chaleur sensible

01664_A_F

Chaleur latente

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3

II -

UNITÉS DE QUANTITÉ DE CHALEUR La chaleur est une forme particulière de l’énergie. Elle est appelée souvent énergie thermique. Les unités classiques de travail et d'énergie lui sont donc applicables. La chaleur est exprimée, dans les unités légales, en joules. Elle peut également être exprimée en kilowatt heure. Toutefois, on utilise souvent dans la pratique industrielle, une unité particulière de quantité de chaleur : la calorie (cal) et ses multiples la kilocalorie (kcal) et la thermie (th). La même élévation de température appliquée à 1 kg d’eau requiert 1000 cal soit 1 kcal. Pour 1 t d’eau 1.000.000 cal soit 1000 kcal soit par définition 1 th. On a donc : 1 kcal

=

1000 cal

1 th

=

1000 kcal

Unité légale : l’unité de chaleur du Système International (SI) est la même que l’unité de travail, c’est-à-dire : le joule (J). Les équivalences entre calorie et joule, kilocalorie et kilojoule, thermie et méga joule sont les suivantes : 1 cal

=

4,1868 J

1 kcal

=

4,1868 kJ

1 th

=

4,1868 MJ

D’autres unités d’énergie sont utilisables par exemple le kilowattheure (kWh)

1 kWh

= 3600 kJ = 859,85 kcal = 0,860 th

1 th

= 1,163 kWh

S’il faut rigoureusement 1 calorie pour élever la température de 1 gramme d’eau de 14,5°C à 15,5°C, il faut de même, en généralisant, approximativement 1 calorie pour élever la température de 1 gramme d’eau liquide de 1°C entre 0°C et 100°C. Applications : • Par exemple, pour accroître la température de 1 kg d’eau liquide de 30 à 50°C, il faut lui fournir 20 fois 1 kilocalorie soit 20 kcal. • Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 1 tonne d’eau de 20°C à 100°C ?

01664_A_F

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C 1 -5

4

C 1 -5

III - CHALEUR SENSIBLE 1-

NOTION DE CHALEUR MASSIQUE On vient de voir que si l’on fournit une quantité de chaleur de 1 kilocalorie à 1 kg d’eau liquide, sa température s'élève de 1°C. Si l’on fournit la même quantité de chaleur de 1 kcal à la même masse de diverses substances, on observe des élévations de température différentes selon les corps ainsi que le montre le tableau cidessous. Substance

Masse de substance

Quantité de chaleur fournie

Élévation de température

Eau liquide

1°C

Vapeur d’eau

2°C

Hydrogène gazeux

1 kg

Pétrole brut

1 kcal 4,1855 kJ

Aluminium

environ

0,3°C environ 2°C

environ

5°C

environ

Les chiffres ci-dessus sont des exemples. Les élévations de température constatées dépendent des conditions dans lesquelles chaque substance est prise et en particulier de sa température. Pour caractériser le comportement des différents corps face à un apport de chaleur on définit une grandeur caractéristique de chaque corps appelée chaleur massique qui est notée généralement par la lettre “c” et dont la définition est la suivante : La chaleur massique d’un corps est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg de ce corps pour élever sa température de 1°C. L’unité légale de chaleur massique est le joule par kilogramme et par degré Celsius : (J/kg.°C). En pratique on utilise encore très souvent la calorie par gramme et par °C (cal/g.°C) ou ses équivalents. La chaleur massique s’exprime par le même nombre dans les unités suivantes : cal g . °C

kcal kg . °C

th t . °C

Le tableau ci-dessus montre que si la chaleur massique de l’eau liquide est 1 kcal/kg.°C, celles de la vapeur d’eau ou de l’aluminium sont inférieures à 1 kcal/kg.°C. Il faut noter également que la chaleur massique d’un corps n’est pas la même à toutes les températures.

01664_A_F

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5

C 1 -5

Pour l’eau liquide par exemple, elle vaut : – – – –

1 kcal/Kg.°C rigoureusement à 15°C 0,96 kcal/kg.°C à 100°C 1,06 kcal/kg.°C à 200°C 1,39 kcal/kg.°C à 300°C

A titre d’exemple on donne ci-dessous quelques ordres de grandeurs de chaleurs massiques. LIQUIDES À 50°C

GAZ À 50°C, 1 ATM. C

CORPS (kcal/kg/°C)

C

CORPS (kJ/kg.°C)

(kcal/kg/°C)

(kJ/kg.°C)

Eau

1

4,186

Vapeur d’eau

0,45

1,883

Isopropyl alcool (IPA)

0,70

2,930

Propane gazeux

0,43

1,800

Propane

0,68

2,846

Isobutène gazeux

0,39

1,632

Isobutène

0,63

2,637

Air ou fumées

0,24

1,005

Essence

0,52

2,176

Hydrogène

3,5

Benzène

0,43

1,800

14,649

SOLIDE C (kcal/kg/°C)

C (KJ/Kg.°C)

t (°C)

Béton

0,2

0,837

50

Aluminium

0,2

0,837

100

Cuivre

0,09

0,377

50

Fe 3 O 4

0,18

0,753

20

1

4,186

0

CORPS

Glace

2-

CALCUL D’UNE QUANTITÉ DE CHALEUR SENSIBLE Le calcul d'une quantité de chaleur sensible est effectué par une formule dont l'origine est la suivante. Soit par exemple à déterminer la quantité de chaleur sensible Qs (kcal) à fournir à une masse m d’un corps de chaleur massique c (kcal/kg.°C) pour élever sa température de t1 à t2 (°C) : • la quantité de chaleur à fournir à 1 kg du corps pour élever sa température de 1°C est par définition c • la quantité de chaleur à fournir à m kg du corps pour élever sa température de 1°C est le produit m . c • la quantité de chaleur à fournir à m kg du corps pour élever sa température de (t2 – t 1 ) °C est : m . c . (t 2 – t1 )

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6

C 1 -5

La différence de température (t2 – t1 )°C est souvent notée ∆t et l’on obtient donc la formule générale permettant de calculer une quantité de chaleur sensible : Qs = m . c . ∆t Les unités les plus souvent utilisées sont les suivantes :

Qs en kcal

si

m en kg c en kcal/kg.°C ∆t en °C

Qs en th

si

m en t c en th/t .°C ∆t en °C

Qs en kJ

si

m en kg c en kJ/kg.°C ∆t en °C

Application •

Calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1,5 kg d’eau liquide de 15 à 80°C ? m

=

1,5 kg

c

=

4,186 kJ/kg.°C

∆t

=

80 – 15 = 65°C

Q =

=

kJ

• Un réacteur agité et à double enveloppe est rempli de 8 tonnes de mélange réactionnel liquide dont la chaleur massique est 0,875 kcal/kg.°C dans le domaine de température considéré. Avant de le vider, il est nécessaire de refroidir le liquide à l’aide d’eau froide circulant dans la double enveloppe. En supposant que l’eau est disponible à 20°C et est rejetée à 30°C, quelle est la quantité d’eau nécessaire pour refroidir le mélange de 87°C à 50°C ? m

=

c

=

∆t

=

Q

=

th

∆teau = m eau =

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t

7

3-

C 1 -5

DÉBIT DE CHALEUR - NOTION DE BILAN THERMIQUE Dans les installations fonctionnant en continu, les produits qui circulent sont réchauffés ou refroidis dans des fours, échangeurs de chaleur, réfrigérants, etc. Les quantités de chaleur sensible (sans changement d’état) reçues ou perdues par ces produits peuvent être calculées par la formule précédente à condition de considérer : m comme un débit massique de produit (kg/h, t/h) et

Qs comme un débit de chaleur qui s’exprime en kcal/h, th/h ou kJ

Exemple : Un réfrigérant d’alcool isopropylique (IPA) a les conditions de fonctionnement suivantes :

Débits (t/h)

Température entrée (°C)

Température sortie (°C)

10

65

40

8,75

15

35

IPA Eau de réfrigération

8,75 t/h 15°C

40°C

65°C

IPA 10 t/h

D MTE 031 A

35°C

Eau liquide

Les chaleurs massiques des deux produits sont : c IPA = 0,7 th/t . °C c eau = 1 th/t . °C

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C 1 -5

L’application de la formule générale permet de calculer le débit de chaleur perdue par l’IPA et gagnée par l’eau. Pour l’IPA :

Pour l’eau

soit bien sûr : Q perdue par IPA = Q gagnée par l’eau

Cette égalité suppose bien entendu que les pertes de chaleur vers l’extérieur sont négligeables. Le débit de chaleur transférée du fluide chaud vers le fluide froid est souvent appelé charge thermique (en anglais “duty” ) de l’appareil. D’une manière générale, on considère un échangeur dans lequel un fluide chaud (repéré par des lettres majuscules) échange de la chaleur sensible avec un fluide froid (repéré par des lettres minuscules) :

Fluide 1

chaleur massique C

T1 t2

t1 Fluide 2 chaleur massique c

T2

M

D MTE 031 B

m

On a, compte tenu des notations portées sur le schéma et en appelant Q le débit de chaleur échangé : Q = M . C . (T1 – T2 ) = m . c . (t2 – t 1 )

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9

C 1 -5

Application Soit à déterminer la charge thermique d’un échangeur Pétrole brut-Gazole ainsi que la température de sortie du gazole compte tenu des indications portées sur le schéma ci-dessous. GAZOLE 100 t/h

C gazole = 2,72 kJ/kg.°C 200°C 130

120 BRUT 500 t/h

?

4-

D MTE 031 C

C brut = 2,344 kJ/kg.°C

LIMITES D’APPLICATION La formule Q = m . c . ∆t s’applique aux réchauffages ou refroidissements de liquides et de vapeurs ne subissant pas de changement d’état. Celle-ci n’est évidemment plus valable quand les fluides changent d’état physique lors de l’échange de chaleur. Il est nécessaire de prendre en compte alors la chaleur latente de changement d’état.

01664_A_F

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10

C 1 -5

IV - CHALEUR LATENTE 1-

EXEMPLE D’INSTALLATION AVEC MISE EN ŒUVRE DE CHALEUR LATENTE Nombreux sont en effet les appareils, dans les unités de fabrication, dans lesquels se produisent des phénomènes de vaporisation ou de condensation : fours avec vaporisation, rebouilleurs, condenseurs, générateurs de vapeur, etc. A titre d’exemple on a représenté ci-dessous un générateur de vapeur d’eau. Cet appareil est alimenté par de l’eau chaude à 144°C et génère de la vapeur d’eau à la même température de 144°C.

144°C

Vapeur saturée Huile chaude

Eau liquide

144°C

D ANA 135 A

4 bar abs.

Il s’agit dans ce cas de vaporisation d’un corps pur qui se produit donc à température constante ; 144°C est en effet la température d’ébullition de l’eau sous la pression opératoire du générateur à savoir 4 bar absolus. Dans cet exemple, la température du fluide ne varie pas et le débit de chaleur apporté par l’huile chaude sert uniquement à vaporiser l’eau. Le débit de vapeur produit dépend directement du débit de chaleur apporté par l’huile chaude dans l’échangeur et bien sûr de la valeur de la chaleur latente de vaporisation de l’eau à 144°C.

01664_A_F

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11

C 1 -5

2 - CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION OU DE CONDENSATION DES CORPS PURS Pour un corps pur le phénomène de vaporisation ou de condensation se produit à température fixe, la valeur de cette température étant fonction de la pression. On appelle chaleur latente de vaporisation d’un corps pur la quantité de chaleur qu’il faut fournir à l’unité de masse de ce corps pour le vaporiser à sa température d’ébullition. Elle est notée souvent par la lettre grecque Λ (lambda). Si on reprend l’exemple précédent du générateur de vapeur, la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser 1 tonne d’eau à 144°C est de 510 thermies. On dit alors que la chaleur de vaporisation de l’eau à 144°C (4 bar abs.) est : Λeau = 510 th/t 144°C

ou

510 kcal/kg

On peut remarquer que cette quantité de chaleur latente est très importante comparée à de la chaleur sensible. Il ne faudrait, en effet, qu’environ 124 th pour réchauffer 1 tonne d’eau liquide de 20°C à 144°C. On définit également une chaleur latente de condensation qui a, pour les mêmes conditions, la même valeur que la chaleur latente de vaporisation. Il s’agit alors d’une quantité de chaleur libérée lors de la condensation, tout se passant comme si le corps “rendait” la chaleur absorbée pendant sa vaporisation. Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de chaleurs de vaporisation de corps purs à leur température d’ébullition sous 1 atmosphère absolu.

Température d’ébullition sous 1 atm. abs. (°C) Eau

01664_A_F

Λ kcal/kg

Λ kJ/kg

100

539

2256,0

Ammoniac

– 33

321

1343,5

Éthane

– 100

114

477,1

Propane

– 42

104

435,3

n-Butane

– 0,5

90

376,7

Benzène

80

94

393,4

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12

C 1 -5

3 - CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION OU DE CONDENSATION DES MÉLANGES Pour les mélanges, le phénomène de vaporisation se produit avec augmentation de température et inversement la condensation d’un mélange s’accompagne d’une baisse de température. On peut cependant définir la chaleur latente de vaporisation d’un mélange comme étant la quantité de chaleur qu’il faut fournir à l’unité de masse de ce mélange pour le faire passer de sa température de début de vaporisation à sa température de fin de vaporisation. Elle s’exprime également en : cal/g

kcal/kg

ou

th/t

ou

kJ/kg

On donne ci-dessous deux exemples de chaleur de vaporisation de mélanges Essence 15 d4 = 0,740

Λ = 70 à 80 kcal/kg 290 à 335 kJ/kg

Intervalle ASTM 40-170°C Gas-oil 15 d4 = 0,850

Λ = 50 à 60 kcal/kg 210 à 250 kJ/kg

Intervalle ASTM 220-350°C

4-

EXPRESSION D’UNE QUANTITÉ DE CHALEUR LATENTE Un débit ou une quantité de chaleur latente de vaporisation peut se calculer connaissant : – la chaleur de vaporisation Λ (en th/t par exemple) du produit – la quantité ou le débit M de produit (en t ou en t/h) On a alors, si on appelle QL le débit de chaleur latente : QL en th/h QL = M . Λ

M en t/h

QL en MJ/h ou

Λ en th/t

M en t/h Λ en MJ/t

Application Pour vaporiser un débit de vapeur de 5 t/h dans le générateur étudié précédemment, l’huile chaude doit fournir un débit de chaleur calculé comme suit : M = 5 t/h

Λ = 2134,6 MJ/t soit 01664_A_F

QL =

=

MJ/h

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13

C 1 -5

V - EXEMPLE DE MISE EN ŒUVRE DE CHALEUR SENSIBLE ET DE CHALEUR LATENTE Le processus de chauffage d’un produit est assez souvent composé des 3 phases suivantes – chauffage du produit à l’état liquide (chaleur sensible) – vaporisation du produit (chaleur latente) – surchauffe de la vapeur obtenue (chaleur sensible) Si on considère un corps pur à l’état liquide à la température t1 que l’on veut obtenir à l’état de vapeur surchauffée à la température t 2 . Le calcul de la quantité de chaleur TOTALE à lui fournir nécessite de connaître : M

la quantité ou le débit de produit

cL

sa chaleur massique à l’état liquide

tv

sa température d’ébullition

Λ

sa chaleur de vaporisation

cv

sa chaleur massique à l’état vapeur

On a alors : soit

QTOTALE = Qsliquide + QL + Qs vapeur

QTOTALE =

M . c L . (tv – t1)

⇑

+

M.Λ

+

⇑

chaleur sensible liquide chaleur latente de vaporisation

M . c v . (t2 – t v)

⇑ chaleur sensible vapeur

Application Soit à porter une tonne d’eau disponible liquide à 20°C jusqu’à 350°C, à la pression de 4 bar absolus. La chaleur massique de l’eau liquide est cL = 1 th/t.°C, celle de la vapeur d’eau cv = 0,5 th/t.°C Sous cette pression, la température d’ébullition de l’eau est de 144°C. Dans le calcul, il est nécessaire de distinguer 3 étapes suivant la nature de la chaleur absorbée par l’eau : sensible ou latente.

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14

C 1 -5

Il faut donc : – porter l’eau liquide de 20°C à 144°C chaleur sensible nécessaire 1t.1

th . (144°C – 20°C) = 124 th t . °C

– vaporiser à 144°C sous 4 bar absolus chaleur latente nécessaire 1 t . 510

th = 510 th t

– porter la vapeur d’eau de 144°C à 350°C chaleur sensible nécessaire 1 t . 0,5

th . (350°C – 144°C) = 103 th t . °C

La chaleur totale fournie est en résumé : 124 + 510 + 103 =

737 th

1 t d’eau liquide 144°C

1 t d’eau vapeur 144°C

1 t d’eau vapeur 350°C

4 bar abs.

4 bar abs.

4 bar abs.

4 bar abs.

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Chaleur sensible

Chaleur latente

Chaleur sensible

124 th

510 th

103 th

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D ANA 130 A

1 t d’eau liquide 20°C

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONDUCTION ET CONVECTION Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - MODES DE TRANSMISSION DE LA CHALEUR ..................................................................... 1 II - FLUX THERMIQUE................................................................................................................... 3 1 2 -

Définition ...................................................................................................................................... 3 Exemples de valeurs du flux thermique........................................................................................ 4

III - EXPRESSION GÉNÉRALE DE LA TRANSMISSION DE CHALEUR EN CONVECTION ET CONVECTION ..................................................................................................................... 5 IV - TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONDUCTION ............................................................. 7 1 2 -

Conduction au travers d’une paroi simple ....................................................................................7 Conduction au travers de parois accolées ................................................................................. 11

V - TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONVECTION............................................................ 13 1 2 -

Mécanisme de l’échange - Notion de coefficient de film ............................................................ 13 Paramètres influençant la valeur du coefficient de film .............................................................. 15

VI - CONDUCTION ET CONVECTION SIMULTANÉES ............................................................... 19 1 2 -

Résistance - flux thermique........................................................................................................ 19 Amélioration de l’échange en conduction et convection ........................................................... 25

BA TCH - 00566_C_F - Rév. 2

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03/08/2005

-6/A

1

I-

C 1 -6/A

MODES DE TRANSMISSION DE LA CHALEUR On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. • La conduction Ce mode de transmission de chaleur s’applique plus particulièrement aux solides, mais concerne aussi les fluides au repos. Il correspond à une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la matière, le passage de la chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou molécules) voisines. La matière se comporte véritablement comme un conducteur de la chaleur. • La convection La transmission de chaleur par convection met en jeu le mouvement des fluides (gaz ou liquides). Ce mouvement permet l’échange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la diffusion de la chaleur au sein de l’ensemble du fluide grâce à l’agitation produite. Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un véhicule de la chaleur. La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est créé par les différences de masse volumique existant au sein du fluide du fait des différences de températures. Lorsque le mouvement est communiqué par une machine - agitateur, pompe, compresseur ou ventilateur - la convection est dite forcée. • Le rayonnement La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport d’énergie thermique sous forme d’ondes électromagnétiques analogues à celle de la lumière. En effet, tout corps, même placé dans le vide, émet de l’énergie thermique sous forme d’un rayonnement qui est véhiculé sans support matériel. Cette émission est d’autant plus importante que la température du corps émetteur est élevée. Elle n’est cependant notable qu’à partir de 700 à 800°C. Dans le cas du soleil, dont la température superficielle est de l’ordre de 6000°C, l’émission thermique est particulièrement importante. Parallèlement, tout autre corps placé sur le trajet de ce rayonnement en absorbe une partie et, de ce fait, est un récepteur de chaleur. Dans la pratique des procédés industriels, la mise en oeuvre des échanges de chaleur fait appel simultanément aux différents modes de transmission de la chaleur. C’est en particulier le cas pour les fours tubulaires comme le montrent les exemples présentés ci-après.

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2

Dans le cas d’un tube situé en zone de radiation, les 3 modes de transmission sont conjugués.

- les gaz de combustion transmettent de la chaleur à la paroi extérieure du tube par rayonnement et par convection.

Convection

Flamme

Conduction

D MTE 173 B

Radiation

- la chaleur est ensuite transmise au travers du tube par conduction. - et par convection de la paroi interne du tube au fluide.

Convection

Pour un tube situé en zone de convection et qui ne voit pas la flamme, on rencontre les modes de transmission sont les suivants :

CONVECTION INT.

CONDUCTION

- transmission de la chaleur des fumées (à haute température) à la paroi extérieure du tube par convection et par rayonnement. - par conduction à travers l’épaisseur du tube.

CONVECTION EXT.

FUMÉES

D MTE 172 B

- et par convection à nouveau de la paroi interne du tube vers le fluide.

Dans les échangeurs de chaleur par surface, conçus pour permettre un échange entre 2 fluides séparés par une paroi, le processus de transmission fait appel simultanément à la convection et à la conduction.

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3

II -

FLUX THERMIQUE 1-

DÉFINITION Les échanges de chaleur dans les procédés industriels sont réalisés le plus souvent dans des appareils tubulaires dont les principales caractéristiques de fonctionnement sont : -

le débit de chaleur échangée, noté Q, qui exprime la quantité de chaleur transmise par unité de temps. Il s’agit donc d’une puissance thermique dont l’unité dans le système international est le watt (W). On l’exprime encore en kcal/h ou th/h. 1 th/h = 1162 W = 1,162 kW 1 kW = 0,860 th/h Le débit de chaleur échangée est aussi appelé charge thermique ou “duty” de l’appareil d’échange thermique.

-

la surface d’échange qui correspond à la surface extérieure totale des tubes ou plaques constituant l’appareil. On la note habituellement A et elle s’exprime dans le système international en m2

Pour caractériser la mise en oeuvre de l’échange de chaleur, on utilise habituellement la notion de flux thermique Φ (phi) qui mesure le débit de chaleur échangée au travers de 1 m2 de surface d’échange. On a ainsi :

Φ = Flux thermique =

Débit de chaleur échangée Q Surface d’échange A

Selon l’unité choisie pour le débit de chaleur, le flux thermique s’exprime en W/m2 (dans le système international) ou en kcal/h.m2 ou encore en th/h.m2. Application Dans un train d’échange d’une unité de stabilisation de brut, l’échange produit chaud-produit froid est réalisé dans 4 échangeurs (628 m2 de surface chacun). Le débit de chaleur totale est de 13900 th/h.

Surface totale d’échange Flux thermique

m2 th/h.m2 kcal/h.m 2 kW/m2

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4

2-

EXEMPLES DE VALEURS DU FLUX THERMIQUE Le tableau ci-dessous présente des exemples de valeurs moyennes de flux thermiques dans des appareils industriels.

APPAREIL D’ÉCHANGE

FLUX THERMIQUE MOYEN W/m 2

kcal/h.m 2

35000 à 45000 31000 70000

30000 à 40000 27000 60000

230000

200000

6000 à 12000

5000 à 10000

23000 à 35000

20000 à 30000

Matériels (capacités, tuyauteries) calorifugés

100 à 400

90 à 350

Flamme à l’air libre d’hydrocarbures liquides

30000 à 60000

Flamme à l’air libre de GPL

60000 à 12000

Zone de radiation du four tubulaire • distillation atmosphérique • reformage catalytique • vapocraquage Écrans de chaudières

jusqu’à

Échangeurs • train d’échange de distillation atmosphérique • charge/effluent de reformage catalytique

Les valeurs indiquées permettent de distinguer 3 types d’équipements : -

hauts flux thermique : fours et chaudières flux moyens : échangeurs flux faibles : équipements calorifugés

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5

III - EXPRESSION GÉNÉRALE DE LA TRANSMISSION DE CHALEUR EN CONDUCTION ET CONVECTION Le flux thermique transmis dans l’échange de chaleur entre deux fluides au travers d’une paroi (conduction au travers de la paroi et convection de part et d’autre) dépend des conditions dans lesquelles est réalisé l’échange. Les deux facteurs essentiels qui gouvernent l’échange thermique sont : •

l’écart de température ∆ t qui existe entre le fluide chaud et le fluide froid. Celui-ci constitue l’élément moteur de la transmission de chaleur qui ne peut, bien entendu, avoir lieu que si les températures des fluides sont différentes. On l’appelle aussi potentiel thermique et le flux thermique qui s’établit est d’autant plus grand que le potentiel thermique est plus élevé.

•

les résistances que la chaleur rencontre dans la circulation entre les deux fluides. Elles sont caractéristiques des modes de transmission de la chaleur : convection pour chacun des fluides et conduction pour la paroi qui les sépare. Regroupées, elles se traduisent par une résistance globale R à la transmission de chaleur et il va de soi que plus la valeur de celle-ci est élevée, plus le flux thermique est faible pour un même potentiel thermique.

Fluide froid

Fluide chaud

Température t

Température T

Potentiel thermique ∆t = T - t

Résistance de conduction de la paroi

Résistance de convection du fluide froid

Résistance global au transfert R

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D MTE 1109 A

Résistance de convection du fluide chaud

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6

On aboutit ainsi à l’expression générale de la transmission de chaleur en conduction et convection : Flux thermique =

Potentiel thermique ∆t Résistance globale R

La résistance à la transmission de chaleur s’exprime, selon l’unité choisie pour le flux thermique, en m2.°C/W ou en m2.°C.h/kcal. En considérant l’inverse de la résistance R à la transmission de chaleur U = 1/R, appelé coefficient global d’échange, l’expression de l’échange de chaleur s’écrit encore : Q

Φ = A = U x ∆t U s’exprime en W/m2.°C ou en kcal/h.m2.°C Application Dans l’échange de l’application précédente, le potentiel thermique est en moyenne de 44°C. La résistance globale à l’échange de chaleur est : R =

m 2 .°C.h/kcal

Le coefficient global d’échange vaut : U =

kcal/h.m 2 .°C

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C 1 -6/A

IV - TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONDUCTION La chaleur est transmise par conduction au travers des parois solides qui constituent les matériels : tubes de four et d’échangeurs ; tuyauteries, parois des réacteurs, colonnes et ballons. On peut distinguer deux cas selon que : -

la paroi est constituée d’un seul matériau comme la robe métallique d’un bac de stockage ou un tube propre d’échangeur. Une telle paroi est qualifiée de paroi simple.

-

la paroi est composée de matériaux différents comme c’est le cas pour une tuyauterie calorifugée (métal du tuyau + isolation). On parle dans ce cas de parois accolées, ou encore de parois composites.

1-

CONDUCTION AU TRAVERS D’UNE PAROI SIMPLE La résistance à la transmission de chaleur à travers une paroi simple dépend : -

de l’épaisseur de la paroi La résistance au travers de la paroi est bien entendu d’autant plus grande que celle-ci est épaisse

-

de l’aptitude du matériau qui constitue la paroi à plus ou moins bien conduire la chaleur. Cette propriété de bonne ou mauvaise conduction de la chaleur dépend de la nature du matériau. Elle est caractérisée par la conductibilité thermique λ (lambda) du matériau qui s’exprime en W/m.°C dans le système international ,ou en kcal/h.m.°C si le débit de chaleur est mesuré en kcal/h.

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a - Conductibilité thermique Les valeurs de la conductibilité thermique λ sont élevées pour les bons conducteurs comme les métaux par exemple. Pour les isolants, au contraire, les valeurs de λ sont faibles. Des exemples de valeurs de conductibilité thermique des différents matériaux sont présentés dans le tableau suivant :

CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE MATÉRIAUX

W/m.°C

kcal/h.m.°C

383 209 45 56

330 180 39 48

0.035 à 0.038 0.031 0.041

0.03 à 0.07 0.027 0.035

0.3 à 1.2 0.8 0.8 0.1 à 0.3

0.25 à 1 0.7 0.7 0.1 à 0.25

Métaux Cuivre Aluminium Acier doux Fonte Matériaux isolants Laine de verre Polystyrène Liège Matériaux de construction Briques Béton Verre Bois Liquides Eau

à 0°C à 80°C Hydrocarbures à température ambiante (valeur moyenne)

0.47 0.58 0.14

0.4 0.5 0.12

0.024 0.031 0.023 0.033 0.055 0.026 0.017

0.021 0.027 0.020 0.028 0.047 0.022 0.015

0.06 0.93

0.05 0.8

Gaz sous pression atmosphérique Air Vapeur d’eau Propane Heptane

à 0°C à 100°C à 100°C à 200°C à 400°C à 100°C à 100°C

Matériaux divers (valeurs approximatives) Suie Coke

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D’après les valeurs indiquées dans le tableau, on constate que les liquides et surtout les gaz se comportent plutôt comme des isolants. Il en est de même pour les dépôts de suie et de coke. On constate d’autre part, qu’à l’état liquide l’eau à une valeur de λ plus élevée que celle des hydrocarbures. b - Résistance d’une paroi La résistance R que rencontre la chaleur à son passage au travers d’une paroi et d’autant plus grande que sa conductibilité thermique λ est faible et que son épaisseur e est grande. Elle s’exprime par : R conduction =

e λ

Si la paroi est soumise à un potentiel thermique ∆t, le flux thermique qui la traverse est donné par : ∆t

∆t

Φ = R = e

λ En conséquence, le débit de chaleur Q qui traverse une surface A de cette paroi vaut :

Épaisseur e

∆t

Q =

λ . A . ∆t e

T

t

Flux thermique λ.(T-t) Φ= e

Conductibilité thermique λ

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D MTE 1110 A

Q

Φ=A = λ . e

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Application La paroi métallique ( λ = 40 kcal/h.m.°C) d’un cylindre de stockage d’épaisseur 18 mm est soumise aux flammes d’un incendie. La résistance R m qu’oppose cette paroi à la circulation de chaleur vaut : Rm =

h.m2 .°C/kcal

Un panneau isolant (λ = 0,05 kcal/h.m.°C) a une épaisseur égale à 120 mm. La résistance R i qu’oppose ce panneau à la circulation de chaleur vaut : Ri =

h.m2 .°C/kcal

Lors d’un incendie chacune de ces parois soumises à un potentiel thermique égal à 1000°C est traversée par un flux thermique :

Φm =

kcal/h.m 2

Φi =

kcal/h.m 2

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C 1 -6/A

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2-

CONDUCTION AU TRAVERS DE PAROIS ACCOLÉES Le schéma ci-dessous représente une paroi composée de trois épaisseurs inégales e 1 , e2 et e3 de matériaux différents dont les valeurs de la conductibilité thermique sont respectivement λ1, λ2 et λ3. La face externe de la paroi 1 est portée à la température chaude T. La face externe de la paroi 3 est à la température froide t. Paroi 1

Paroi 2

Paroi 3

t

T

e1

e2

e3

λ1

λ2

λ3

D MTE 1110 B

Flux thermique Φ

La circulation de chaleur au travers de chacune des parois rencontre une résistance qui dépend de l’épaisseur et de la conductibilité thermique de chacune d’elles. Pour la paroi 1 : Pour la paroi 2 : Pour la paroi 3 :

e1 λ1 e2 résistance R2 = λ2 e3 résistance R3 = λ3

résistance R1 =

La résistance totale Rtotale de l’ensemble est obtenue en faisant la somme des résistances des différentes parois. R totale = R1 + R2 + R3 =

e1 e2 e3 + + λ1 λ2 λ3

Sous le potentiel thermique ∆t = T – t ; il s’établit au travers de l’ensemble des parois un flux thermique : Φ =

∆t T– t T–t = = R R totale R 1 + R2 + R3

La présence d’une paroi supplémentaire se traduit par l’accroissement de la résistance totale à la transmission de chaleur et, pour un même potentiel thermique, par une diminution du flux thermique. Cet effet peut être recherché pour limiter les déperditions de chaleur : calorifuger consiste, en effet, à installer une paroi additionnelle de faible conductibilité thermique. Dans le cas des matériels d’échange thermique (fours, échangeurs, …) la présence de dépôts isolants dus à l’encrassement conduit à une réduction de leurs performances. 00566_C _F

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Application Une paroi métallique du cylindre de stockage précédent (épaisseur 18 mm, λ = 40 kcal/h.m.°C) est calorifugée par un panneau isolant (épaisseur : 120 mm ; λ = 0,05 kcal.h.m2 .°C). La résistance totale de la paroi calorifugée vaut : R T = Rm + Ri =

k.m 2 .°C/kcal

Lors de l’incendie, le flux thermique traversant la paroi calorifugée est :

Φ =

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kcal/h.m 2

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V-

TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONVECTION 1-

MÉCANISME DE L’ÉCHANGE - NOTION DE COEFFICIENT DE FILM

y ; ; y ;;;;; yyyyy y ; y ; ;;;;; yyyyy

Dans une industrie de procédés mettant en oeuvre des fluides, comme le raffinage et la pétrochimie, les mécanismes d’échange de chaleur dans les matériels thermiques comportent presque toujours un échange par convection faisant intervenir un fluide et une paroi. Ce mode de transmission peut être décrit par un processus dans lequel interviennent les étapes représentées sur le schéma ci-dessous.

r

Re

to

l uid e

pa

oi

uf

la

ur a u

Acc ès à

yy ;; ;; yy

Échange avec les particules voisines

Particules de fluide

nd

D MTE 023 A

s ei

Paroi

Contact et échange de chaleur avec la paroi

Celles-ci font intervenir successivement : •

Le contact des particules du fluide avec la paroi pour permettre l’échange Cela suppose qu’elles puissent y accéder et qu’il y ait un renouvellement constant de particules pour activer l’échange. La facilité d’accès à la paroi est donc un paramètre essentiel dans ce type d’échange et elle dépend principalement des conditions d’écoulement du fluide. Il est évident, par exemple, qu’un écoulement plus turbulent facilite l’accès des particules à la paroi et dans un temps donné, davantage de particules ont l’occasion d’échanger de la chaleur avec la paroi. De la même manière dans le cas des gaz, une pression élevée résultant d’un grand nombre de chocs des particules sur la paroi est favorable à l’échange de chaleur.

•

La transmission de la chaleur de la paroi aux particules avec lesquelles elle est en contact L’aptitude du fluide à échanger de la chaleur au contact de la paroi est conditionnée par la valeur de sa conductibilité thermique. De plus, la quantité de chaleur échangée dépend d’autres caractéristiques du fluide. Elle est grande, par exemple, s’il s’agit d’un fluide de chaleur massique ou de masse volumique élevées ou si l’échange s’accompagne d’un changement d’état physique. En effet, l’échange étant gouverné par l’écart de température entre paroi et particule, les conditions précédentes correspondent à l’acquisition d’une plus grande quantité de chaleur pour une même variation de température de la particule.

•

Le retour de la particule au sein du fluide et l’échange avec les autres particules Dans cette dernière étape interviennent essentiellement la turbulence de l’écoulement, et l’aptitude du fluide à diffuser la chaleur. L’échange de chaleur entre particules est encore favorisé par une pression élevée dans le cas des gaz.

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La transmission de chaleur par convection met donc en jeu plusieurs mécanismes successifs relativement complexes, l’efficacité globale de l’échange pouvant être limitée par la difficulté de réalisation de l’un ou l’autre des étapes. On a cherché à obtenir une représentation globale de l’échange par convection en faisant intervenir un formalisme du même type que celui utilisé en convection. Cela implique la définition d’un potentiel thermique et d’une résistance qui prennent en convection la signification suivante : • Le potentiel thermique est la différence entre : -

la température de la paroi la température moyenne du fluide Potentiel thermique ∆ t = tparoi – tfluide ou

tfluide – tparoi

selon que le fluide reçoit ou cède de la chaleur. • La résistance de convection R convection qui caractérise l’ensemble des mécanismes limitants présentés ci-dessus. On a donc l’expression suivante du flux thermique transmis par convection : Flux thermique =

t paroi – tfluide R CONVECTION

Dans la pratique, on a pris l’habitude en convection d’utiliser plutôt l’inverse de la résistance de convection, c’est-à-dire un paramètre h appelé coefficient de convection ou coefficient de film qui caractérise non plus la résistance mais l’aptitude à la transmission de chaleur par convection. On a ainsi :

Coefficient de convection ou coefficient de film

h=

1 R CONVECTION

On l’exprime en W/m2.°C ou en kcal/h.m2.°C. La valeur de h est d’autant plus élevée que la résistance en convection est faible. L’appellation “coefficient de film” est relative à une représentation de l’échange de chaleur par convection assez différente de celle qui a été présentée plus haut.

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On considère dans ce cas que l’échange entre paroi et fluide est réalisé au travers d’un film de fluide immobile au contact de la paroi comme le montre le schéma ci-dessous.

Film

D MTE 1111 A

Fluide en écoulement

immobile Paroi

Ce film intervient comme un isolant introduisant une résistance de conduction limitant l’échange de chaleur. Le coefficient de film caractérise alors la résistance apportée par le film et il est d’autant plus grand que celle-ci est faible. En utilisant ce coefficient de film h, la loi d’échange en convection s’écrit : t

Φ =R = h . ∆t CONVECTION

2-

PARAMÈTRES INFLUENÇANT LA VALEUR DU COEFFICIENT DE FILM Le fait que le fluide reste dans le même état physique ou au contraire qu’il subisse un changement d’état sous l’effet du transfert de chaleur par convection influence très fortement la valeur du coefficient de film. En conséquence, on est amené à distinguer les échanges sans changement d’état et les échanges s’accompagnant d’une vaporisation ou d’une condensation. a - Coefficient de film en convection sans changement d’état Les paramètres qui influencent la valeur du coefficient de film sont relatifs d’une part aux caractéristiques du fluide, d’autre part aux caractéristiques d’écoulement. •

Paramètres liés aux caractéristiques du fluide Il s’agit essentiellement de la conductibilité thermique, de la viscosité, de la chaleur massique et de la masse volumique du fluide. L’influence des valeurs de ces paramètres sur celle du coefficient de convection est mise en évidence dans le tableau ci-dessous où l’on présente la variation de h pour une variation du simple au double de ces propriétés physiques.

VALEUR DOUBLE DE LA Conductibilité Viscosité dynamique Chaleur massique Masse volumique

h EST MULTIPLIE PAR 1,59 0,72 1,26 1,74

Dans le cas des liquides, les valeurs présentées sur ce tableau montrent la meilleure aptitude au transfert de l’eau par comparaison aux hydrocarbures. Elle est en effet plus dense, plutôt moins visqueuse et elle possède une chaleur massique plus élevée.

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De la même façon, et sans entrer dans des comparaisons trop précises, on peut s’attendre à des valeurs du coefficient de film beaucoup plus faibles pour les gaz que pour les liquides compte tenu des valeurs faibles de leur masse volumique et de leur conductibilité thermique. Le tableau de la page suivante présente des valeurs de coefficient de film sans changement d’état pour divers fluides. •

Paramètres liés aux caractéristiques de l’écoulement On sait déjà que la turbulence est un facteur favorable à l’échange de chaleur par convection. Si on élimine les paramètres déjà présentés comme la masse volumique et la viscosité, l’influence des caractéristiques d’écoulement se limite essentiellement à la vitesse de circulation du fluide. Parallèlement, la vitesse du fluide influence directement les pertes de charge de l’écoulement. Dans le tableau ci-dessous on peut remarquer la différence spectaculaire entre convection naturelle et convection forcé.

TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONVECTION SANS CHANGEMENT D’ÉTAT COEFFICIENT DE FILM FLUIDES W/m2 .°C

kcal/h.m 2 .°C

12 46 58 35 à 60

10 40 50 30 à 50

60 à 300

50 à 250

Convection naturelle AIR ambiance calme Vent de 40 km/h FUMÉES zone de convection HYDROCARBURES VISQUEUX AU STOCKAGE selon viscosité EAU selon température et vitesse Convection forcée AIR

90

80

230 580 1980

200 500 1700

HYDROCARBURES GAZEUX sous 2 bar sous 10 bar sous 35 bar HYDROCARBURES LIQUIDES FLUIDES HYDROCARBURES LIQUIDES VISQUEUX EAU

1200 à 1800 580 5800

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1000 à 1500 500 5000

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Application

D MEQ 1765 A

Le profilé d’une charpente métallique reçoit par convection de la chaleur émise par les gaz chauds d’un incendie. T acier = 20°C avant incendie T gaz = 780°C pendant l’incendie h = 20 W/m2.°C

Le flux thermique reçu par le profilé en début d’incendie est :

Φ =

kcal/h.m 2

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b - Coefficient de film en convection avec changement d’état physique On sait déjà que le changement d’état du fluide (vaporisation ou condensation) est un élément favorable au transfert de chaleur par convection. Les chaleurs latentes de changement d’état sont en effet d’un ordre de grandeur généralement bien supérieur à celui des chaleurs sensibles et, en conséquence, les particules de fluide au contact de la paroi peuvent absorber (ou fournir) davantage de chaleur. Dans la pratique, on constate effectivement des valeurs généralement élevées de film comme le montrent les exemples présentés ci-dessous.

COEFFICIENT DE FILM W/m2 .°C

kcal/h.m 2 .°C

1400 à 2000 5800 à 11600

1200 à 1700 5000 à 10000

1750 à 2900 5800 à 11600

1500 à 2500 5000 à 10000

CONDENSATION Hydrocarbures Eau VAPORISATION Hydrocarbures Eau

Ces valeurs du coefficient de film ne sont toutefois données qu’à titre indicatif car elles sont fortement influencées par les caractéristiques de l’écoulement du mélange liquide-vapeur. On conçoit en effet que la qualité de l’échange de chaleur dépend des phénomènes qui interviennent au contact de la paroi ; elle dépend en particulier : -

de la nature du changement de phase : vaporisation ou condensation des proportions respectives de liquide et de vapeur (qui évoluent d’ailleurs constamment sous l’effet de l’échange de chaleur).

Ces paramètres rendent complexe l’étude de l’échange de chaleur avec changement de phase.

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VI - CONDUCTION ET CONVECTION SIMULTANÉES 1-

RÉSISTANCE - FLUX THERMIQUE Dans l’échange de chaleur entre deux fluides séparés par une paroi la transmission de chaleur du fluide chaud vers le fluide froid rencontre plusieurs résistances successives qui sont figurées vers le schéma ci-dessous. Résistances dues au salissement

Fluide froid

Résistance de convection du fluide chaud

Résistance de conduction de la paroi

Résistance de convection du fluide froid

D MTE 153 A

Fluide chaud

La résistance totale à la transmission de chaleur (R totale) est la somme des différentes résistances rencontrées et elle s’écrit donc : R totale = Rchaud + Rparoi + Rsalissement + Rfroid Sous le potentiel thermique ∆t = T – t s’établit un flux thermique qui s’exprime par la relation suivante : ∆t

T–t

T–t

Φ= R = R = R chaud + Rparoi + Rsalissement + Rfroid totale En utilisant le coefficient global d’échange U présenté plus haut, le flux thermique s’écrit encore : ∆t

Φ = R = U . ∆t On a l’habitude de distinguer : -

le coefficient global d’échange propre Up associé à une résistance totale ne prenant pas en compte le salissement : Up =

-

1 1 = R totale propre R chaud + Rparoi + Rfroid

le coefficient global d’échange sale Us Us =

1 1 = R totale sale R chaud + Rparoi + Rsalissement + Rfroid

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U s mesure les performances réelles de l’échange à un moment donné du fonctionnement de l’appareil thermique. Sa valeur est bien sûr inférieure à celle de Up, l’aptitude à l’échange s’étant dégradée sous l’effet du salissement. La comparaison des deux valeurs de coefficient global d’échange permet de mesurer l’importance du salissement. On a en effet : R salissement = Rtotale sale – R totale propre =

1 1 – Us Up

La vérification du bon état de fonctionnement des échangeurs par exemple suppose la détermination de la résistance de salissement - ce qui permet de suivre l’encrassement progressif de l’appareil. Application Une ligne de vapeur (hvapeur = 200 kcal/h.m2.°C) d’épaisseur égale à 8 mm (λacier = 40 kcal/h.m.°C) est calorifugée par 120 mm d’épaisseur d’un isolant de conductibilité thermique égale à 0,04 kcal/h.m.°C. Le coefficient de convection de l’air ambiant est égal à 10 kcal/h.m2 .°C (ambiance calme). Les résistances rencontrées par la chaleur sont successivement : R convection vapeur R métal R calorifuge R convection air

= h.m2 .°C/kcal = h.m2 .°C/kcal = h.m2 .°C/kcal = h.m2 .°C/kcal ——————————————————

Résistance totale

=

h.m2 .°C/kcal

Le coefficient global d’échange vaut : U =

kcal/h.m 2 .°C

La température de la vapeur est de 350°C, celle de l’air est de 0°C. Le flux thermique est :

Φ =

kcal/h.m 2

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2-

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AMÉLIORATION DE L’ÉCHANGE EN CONDUCTION ET CONVECTION L’amélioration de l’échange de chaleur entre deux fluides dont les températures sont fixées ne peut être obtenue que par la réduction de la résistance totale. Cette action peut être envisagée a priori sur chacune des résistances qui la composent. On ne peut intervenir en fait que sur les résistances de convection. En effet ; -

la résistance de conduction au travers de la paroi est généralement faible la résistance de salissement est subie : elle augmente avec le temps en fonction des caractéristiques des fluides, et des nettoyages à intervalles réguliers permettant d’en limiter l’importance.

Cela justifie en particulier : •

les aménagements de circulation des fluides à l’intérieur des échangeurs de chaleur pour obtenir une turbulence suffisante de l’écoulement : -

chicanage côté calandre nombre de passes côté tube

Il faut remarquer toutefois que le gain obtenu de cette manière sur les résistances de convection est accompagné d’une augmentation des pertes de charge. •

L’utilisation de surfaces d’échange étendues dans le cas des résistances élevées. Il s’agit d’ailettes ou de picots soudés sur les tubes qui, en offrant davantage de surface, multiplient les possibilités de contact particules de fluide-paroi et favorisent ainsi l’échange de chaleur. On peut citer comme cas d’application courants : -

la présence de picots sur les tubes de convection de fours pour réduire la résistance côté fumées. Celle-ci est divisée par un facteur qui est de l’ordre de 3 à 4

-

l’ailetage des tubes des aéroréfrigérants et aérocondenseurs pour diminuer la résistance limitative de l’air. L’implantation d’ailettes très rapprochées permet de diviser cette résistance par 20 environ

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

TRANSMISSION DE LA CHALEUR PAR RAYONNEMENT Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - CARACTÉRISTIQUES DE L’ÉMISSION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT ..................... 1 1 2 3 -

Émission thermique du corps noir ................................................................................................ 1 Émission thermique d’un corps quelconque................................................................................. 2 Émissivité des gaz de combustion ...............................................................................................3

II - CARACTÉRISTIQUES DE L’ABSORPTION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT ............... 4 III - ÉCHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT DANS LA ZONE DE RADIATION D’UN FOUR TUBULAIRE.......................................................................................................... 5 1 2 3 4

-

Expression globale de l’échange de chaleur par rayonnement.................................................... 5 Flux thermique moyen absorbé par le faisceau ........................................................................... 5 Répartition du flux thermique sur les tubes en zone de radiation ................................................ 7 Température de peau des tubes .................................................................................................. 9

IV - EFFETS DU RAYONNEMENT - FLUX CRITIQUES............................................................... 10 1 2 3 -

Effets du rayonnement ...............................................................................................................10 Flux critiques .............................................................................................................................. 11 Périmètres d’interdiction d’implantation des locaux ................................................................... 12

BA TCH - 02152_A_F - Rév. 1

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1

I-

CARACTÉRISTIQUES DE L’ÉMISSION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT Les mécanismes de transmission de la chaleur par conduction et convection supposent la présence de matière pour transporter l’énergie thermique. Il n’en est pas de même pour le cas du transfert de chaleur par rayonnement où l’énergie thermique est transmise sans support matériel par des ondes analogues à celles de la lumière. Ce mode de transmission est significatif quand on se trouve en présence de matériaux portés à haute température - au-delà de 700°C - . Il concerne particulièrement les flammes (fours, chaudières, torches), et les réfractaires qui revêtent les chambres de combustion. Ces corps, en effet, du fait de l’agitation thermique des particules qui les composent (molécules et atomes) émettent un rayonnement qui transporte l’énergie thermique. Ce rayonnement peut être partiellement absorbé par la surface d’un corps récepteur - tube de four, par exemple - ce qui se traduit pour ce dernier par une absorption de chaleur. Deux facteurs principaux, présentés ci-après déterminent la transmission de chaleur par rayonnement. Il s’agit d’abord des caractéristiques de l’émetteur - surface, température, nature du matériau - et ensuite celles du récepteur. L’émission de chaleur par rayonnement se caractérise globalement par : -

le débit de chaleur émis Q (W ou kcal/h) la surface extérieure de l’émetteur A (m2)

On définit par conséquent un flux thermique Fémis par la relation : Fémis =

Débit de chaleur émis Surface extérieure de l’émetteur

En dehors de la surface, le débit de chaleur émis dépend de la température et de la nature du matériau de l’émetteur. On sait déjà que le débit de chaleur est d’autant plus grand que la température est plus élevée. Parallèlement, à une même température, tous les matériaux n’ont pas la même faculté d’émission. Pour caractériser celle-ci, on définit un matériau idéal constituant un émetteur parfait appelé corps noir. Les performances des autres matériaux sont alors définies par rapport à celles du corps noir.

1-

ÉMISSION THERMIQUE DU CORPS NOIR L’émission du corps noir est traduite par une loi physique qui montre que le flux thermique émis est proportionnel à la puissance 4 de sa température absolue (loi de STEFAN-BOLTZMAN). Cette loi s’écrit : Flux émis par le corps noir Fcorps noir = s .

T 4 ( 100 )

T s’exprime en Kelvin et s (sigma), appelée constante de Stefan-Boltzman, a une valeur qui dépend du système d’unités choisi pour exprimer le flux thermique. en W/m2

s = 5,67

en kcal/h.m2

s = 4,96

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2

L’application de cette loi permet de calculer les valeurs du flux thermique du corps noir présentées dans le tableau ci-dessous. TEMPÉRATURES °C

ÉMISSION DU CORPS NOIR W/m 2

K

kcal/h.m 2

0

273

316

276

500

773

20260

17723

1000

1273

148971

130317

1500

1773

560486

490302

2000

2273

1513494

1323974

On constate que la température a une influence considérable sur l’émission du corps noir et on voit bien que le rayonnement n’est notable qu’à partir de températures assez élevées. Quand le spectre d'émission entre dans le domaine visible au fur et à mesure de l'élévation de température, le corps noir apparaît rouge puis orangé. Lorsque tout le domaine du visible est couvert, le corps noir apparaît blanc.

2-

ÉMISSION THERMIQUE D’UN CORPS QUELCONQUE Dans la pratique, on constate que l’émission des matériaux est toujours inférieure à celle du corps noir à la même température. Pour caractériser leur aptitude à l’émission on définit le facteur d’émission ou émissivité e (epsilon) par le rapport du flux thermique qu’ils émettent à celui du corps noir à la même température : Facteur d’émission ou émissivité e =

Flux émis par un matériau à T Flux émis par le corps noir à T

Les valeurs élevées de l’émissivité caractérisent les bons émetteurs. Des valeurs d’émissivité pour quelques matériaux solides sont présentées dans le tableau ci-dessous.

MATÉRIAUX

ÉMISSIVITÉ 0,04 0,3 à 0,5 0,5 à 0,6 0,8 à 0,9 0,75 à 0,9 0,95 à 0,98 1 (par définition)

Argent poli Peintures alu Aciers neufs Aciers oxydés Isolants réfractaires Noir de fumée Corps noir

En appliquant la définition de l’émissivité et la loi de Stefan-Boltzman, le flux thermique émis par un matériau quelconque s’écrit : T

F = e . s . (100)4 02152_A_F

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3

3-

ÉMISSIVITÉ DES GAZ DE COMBUSTION Les gaz de combustion - émetteurs essentiels dans les zones de radiation des fours et chaudières sont composés principalement de gaz carbonique, de vapeur d’eau, d’azote et d’oxygène dû à l’excès d’air. Gaz de combustion

N2 H 2O

O2

Pas de rayonnement

CO2 Flamme

D MEQ 1766 A

Carbone-suies

Brûleur L’expérience montre que les gaz dont la molécule est constituée de deux atomes identiques ont une émissivité nulle. C’est le cas de l’azote et de l’oxygène. On comprend bien qu’en conséquence ces deux constituants contribuent à réduire l’émissivité des gaz de combustion. En particulier, l’excès d’air de combustion qui en accroît la concentration conduit à une diminution de l’émissivité comme le montre les résultats ci-après.

EXCÈS D’AIR (%)

ÉMISSIVITÉ DES GAZ DE COMBUSTION

5 10 20 30

0,49 0,47 0,45 0,44

Dans la pratique, les flammes - de fuel-oil en particulier - contiennent des particules riches en carbone appelées carbone-suie qui contribuent à élever le facteur d’émission de la flamme. L’expérience montre que cet effet est d’autant plus grand que le rapport massique carbone/hydrogène du combustible est plus élevé. On a pu ainsi relever dans un four expérimental des valeurs de l’émissivité allant jusqu’à 0,95. Il en résulte que l’émission thermique d’une flamme de combustible liquide est beaucoup plus élevée que celle d’une flamme de combustible gazeux. 02152_A_F

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II -

CARACTÉRISTIQUES DE L’ABSORPTION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT D’une manière générale, lorsqu’un corps est exposé au rayonnement, l’énergie qu’il reçoit (énergie incidente) peut être : -

absorbée : cela se traduit par l’acquisition de chaleur par le corps exposé réfléchie : c’est-à-dire renvoyée par le récepteur : il en est ainsi de la lumière parvenant à un miroir transmise au travers du corps si celui-ci est transparent

Ces différentes possibilités sont représentées sur le schéma ci-dessous.

É n e r gie

a bs orbé

e

D MTE 186 B

e rgi ie e Én fléch ré

ie erg te n E den i inc

Énergie transmise

Pour caractériser l’aptitude des matériaux à l’absorption de rayonnement on définit le facteur d’absorption a (alpha) comme le rapport du débit de chaleur absorbé à celui de chaleur incidente. Facteur d’absorption a =

Débit de chaleur absorbé Débit de chaleur incident

Dans la pratique, on constate que les bons émetteurs sont de bons récepteurs du rayonnement, ce qui signifie que les matériaux dont l’émissivité est élevée ont des valeurs élevées du facteur d’absorption. Les matériaux les plus sombres ont les valeurs du facteur d’absorption les plus élevées. Il ne s’agit en fait que d’une conséquence de leur aptitude à l’absorption : exposés à la lumière du soleil, ces matériaux ne réfléchissent qu’une faible part du rayonnement incident et paraissent sombres par opposition à l’argent poli qui en réfléchissant presque intégralement le rayonnement incident a l’aspect blanc du soleil. On comprend pourquoi les réservoirs de gaz de pétrole liquéfiés, par exemple, sont revêtus de peinture blanche ou type aluminium pour limiter leur échauffement sous l’effet du soleil.

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III - ÉCHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT DANS LA ZONE DE RADIATION D’UN FOUR TUBULAIRE 1-

EXPRESSION GLOBALE DE L’ÉCHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT Bien que dans la zone de radiation d’un four les échanges de chaleur par rayonnement soient multiples entre les flammes, les réfractaires et le faisceau tubulaire, leur résultat global est un transfert de chaleur de la flamme au faisceau, dans la mesure où le réfractaire procure une isolation parfaite et n’absorbe donc pas de chaleur. Dans ces conditions, le débit de chaleur échangé peut s’exprimer de manière globale : Qrayonnement = A . F . s

Tg 4 Tt 4 [( 100 ) – ( 100 )]

• Q, débit de chaleur échangé, est aussi le débit de chaleur reçu par le faisceau tubulaire et cédé par les flammes. • A, est la surface extérieure des tubes • Tg, est la température moyenne de rayonnement des gaz de combustion exprimée en Kelvin. Cette température est en général supérieure à celle des fumées quittant la zone de radiation (température de “bridge-wall”) d’une valeur pouvant aller jusqu’à 100 à 150°C. • Tt, est la température moyenne de peau des tubes (exprimée en Kelvin) • F, est le facteur global d’échange Ce facteur global d’échange F rassemble les caractéristiques de rayonnement des flammes et des tubes (émissivité, facteur d’absorption) ainsi que l’effet de la disposition géométrique des tubes dans la zone de radiation. Les valeurs usuelles du facteur global d’échange sont comprises entre 0,27 et 0,30.

2-

FLUX THERMIQUE MOYEN ABSORBÉ PAR LE FAISCEAU Le flux thermique moyen absorbé par rayonnement est le rapport du débit de chaleur Qrayonnement à la surface totale des tubes A. Il s’exprime :

Frayonnement =

Qrayonnement = s . F A

Tg 4 Tt 4 ] [ ( 100 ) – ( 100 )

En zone de radiation, un échange de chaleur par convection des fumées aux tubes se superpose dans la pratique au rayonnement et contribue à accroître la valeur du flux thermique moyen absorbé par les tubes.

Fmoyen radiation = Frayonnement + F convection

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°C 00 14

Flux thermique moyen (kcal/h.m2)

La valeur du flux moyen en zone de radiation dépend principalement des températures Tg et T t des gaz de combustion et des tubes. L’influence de ces deux paramètres est représentée sur le diagramme ci-dessous, sur lequel sont figurées les plages de fonctionnement des fours des principaux procédés du raffinage et de la pétrochimie.

00

on ray de ure rat pé Tem

13

FLUX MOYEN ABSORBÉ EN RADIATION

VAPOCRACAGE

nem

12

e nt

00

des

50 000

gaz

VAPOREFORMAGE

ti bus

0

com

110

ble

DISTILLATION ATMOSPHERIQUE

REFORMAGE CATALYTIQUE

100

0

900 VISCORÉDUCTION

800 10 000

0

500

D MTE 187 B

0

700

1000

Température tube (°c)

Les fours du raffinage se distinguent entre eux par la température des tubes qui dépend du procédé et de la métallurgie du faisceau. La différence essentielle entre les fours du raffinage et de la pétrochimie réside dans le niveau de température moyen des gaz de combustion (il est maintenu élevé dans les fours de pétrochimie par la multiplicité des brûleurs disposés en façade). Il en résulte que la part du rayonnement dans le flux moyen est différente dans ces deux familles de fours : de l’ordre de 80 % pour les fours du raffinage et 95 % pour ceux de la pétrochimie.

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3-

RÉPARTITION DU FLUX THERMIQUE SUR LES TUBES EN ZONE DE RADIATION Le flux thermique absorbé par les tubes en zone de radiation n’est pas réparti de manière homogène sur l’ensemble de la surface de ceux-ci. Les principales causes sont l’exposition différente au rayonnement et l’évolution de l’émission thermique des gaz de combustion. • Influence de l’exposition au rayonnement La répartition du rayonnement autour d’un tube disposé devant un mur réfractaire illustre bien cet effet de différence d’exposition. Le tube, représenté sur le schéma ci-dessous, est exposé à la fois au rayonnement direct de la flamme et au rayonnement réfléchi par le mur réfractaire. Pour chacun de ces rayonnements dont les flux thermiques sont différents, le tube présente des zones “à l’ombre”. Aussi, l’intensité du flux absorbé varie continuellement autour du tube comme cela est représenté sur le schéma ci-dessous.

D MTE 026 A

Paroi

Ra yo réf nne léc me hi n t

r é fl é c h i

Tube

Flu x

Flux moyen

Rayonnement direct

Flux direct

Flux total

On constate un maximum de flux absorbé sur la génératrice la plus proche des flammes. En général, la valeur de ce maximum est d’environ 1,8 fois le flux moyen. Dan le cas des faisceaux de four de vapocraquage chauffés directement de chaque côté, le flux est mieux réparti et le flux maximum ne vaut que 1,2 fois le flux moyen.

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• Influence de l’évolution de l’émission thermique des gaz de combustion

0

500 1000 Température °C

1500

2000

D MTE 027 A

Hauteur du four en m

La température des gaz de combustion dans la zone de radiation évolue sous l’effet de deux paramètres agissant en sens contraire : -

augmentation de la température due au dégagement de chaleur lié à la combustion qui se déroule progressivement. Cet effet s’annule quand la combustion est terminée

-

diminution de la température au fur et à mesure que les gaz de combustion cèdent leur chaleur aux tubes

Il en résulte une évolution de température du type de celle représentée sur le schéma cidessous (mesures effectuées sur un four expérimental).

Hauteur en m

À cette évolution de température des gaz de combustion correspond une évolution du flux thermique. Le schéma suivant en présente l’allure mesurée sur un four industriel (four cabine à brûleurs en sole).

Fuel-oil

D MTE 028 A

combustible gazeux

50 Brûleur

100

150

Flux incident sur les tubes

On constate sur ce schéma la présence d’un pic de flux thermique au droit des tubes situés au quart inférieur du four. Ce pic est accentué dans le cas de l’utilisation de fuel-oil comme combustible, l’effet de l’émissivité plus élevée des flammes s’ajoutant à celui du pic de température. Cette répartition du flux thermique est différente selon le type de brûleurs et la température de l’air de combustion.

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4-

TEMPÉRATURE DE PEAU DES TUBES Le flux thermique absorbé par les tubes est transmis au produit qui circule à l’intérieur par les mécanismes de conduction et de convection. La résistance à ce transfert est la somme des résistances du tube, du salissement interne et de convection du produit. Le potentiel thermique est l’écart de température entre la paroi extérieure du tube (peau de tube) et le produit.

tpeau

f absorbé

Gaz de combustion

Tubes

Dépots

D MTE 029 A

tproduit

Dt

Fabsorbé = R Fabsorbé =

t peau – tproduit R tube + Rsalissement + Rconv.

En conséquence, la température de peau de tube est d’autant plus élevée que : -

la température du produit est élevée

-

la résistance au transfert est grande La valeur de cette résistance peut évoluer considérablement sous l’effet d’un salissement (dépôt de coke, particulièrement) et conduire à une élévation importante de la température du métal.

-

le flux thermique absorbé est élevé

Pour un flux moyen donné, l’hétérogénéité de répartition du flux conduit à des surchauffes locales des tubes.

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IV - EFFETS DU RAYONNEMENT - FLUX CRITIQUES 1-

EFFETS DU RAYONNEMENT Le tableau ci-dessous indique les valeurs essentielles de flux thermiques et leurs effets. Flux (kW/m2) 0,7 1

Effets Coup de soleil Rayonnement en zone tropicale

1,5

Seuil de rayonnement continu pour les personnes non protégées (habillement normal)

2,9

Effets réversibles des brûlures

3

Seuils des brûlures significatives pour l'être humain (S.E.I.)

5

Cloques en 30 s pour des personnes non protégées Seuil de létalité (mortalité 1 % par brûlures) (S.E.I.) Bris de vitres par effet thermique Intervention rapide (pompiers)

8

Début de la combustion spontanée du bois et peintures Propagation du feu improbable sur réservoirs non protégés Intervention avec tenue ignifuge

10

Seuil de la douleur en 5 s Brûlure 2 ème degré en 10 s

12

Propagation probable sur réservoirs non arrosés Propagation improbable sur réservoirs arrosés

20

Tenue du béton plusieurs heures

27

Ignition spontanée du bois entre 5 et 15 minutes

36

Propagation probable du feu sur des réservoirs d'hydrocarbures même refroidis à l'eau

40

Ignition spontanée du bois en 40 s

92

Rayonnement d'un feu faible (< 650 °C)

100

Température de 100 °C dans 10 cm de béton au bout de 3 heures

150

Rayonnement d'un feu moyen (1000 °C)

200

Ruine du béton par éclatement interne en quelques dizaines de minutes (température interne 200-300 °C)

240

Rayonnement d'un feu intense (1150 °C)

250

Valeur basse de la boule de feu d'un BLEVE

250-350

Rayonnement possible d'un BLEVE

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11

Le tableau ci-après indique le temps du seuil de la douleur en fonction du flux.

2-

Flux kW/m2

Temps d’atteinte du seuil de la douleur en s

1,4 1,7 4,7 9,5 11,7 20

Infini 60 16 6 4 2

FLUX CRITIQUES Pour l’évaluation des dangers et les périmètres d’interdiction d’implantation des locaux proches des sites industriels, les seuils critiques retenus par l’administration (lois du 19 Juillet 1976 et du 22 Juillet 1987 et instruction technique de Novembre 1989) sont les suivantes : - locaux habités ou occupés par des tiers et voies extérieures ne desservant pas l’usine : Seuil critique = 5 kW/m 2 - établissement recevant du public, immeubles de grande hauteur, voies à grande circulation et voies ferrées ouvertes au transport des voyageurs : Seuil critique = 3 kW/m 2

Vêtements courants

Les seuils sont utilisés en considérant qu’il y a impossibilité de s’éloigner rapidement de la source de chaleur. Pour les effets de longue durée, il est possible d’avoir des corrélations donnant les valeurs seuils de brûlure et la létalité en fonction du temps. L’abaque ci-dessous en donne un exemple. 100 % létalité 50 % létalité 1 % létalité 100 Flux incident (kW/m2)

Seuil de brûlures significatives

Temps d'exposition (sec) 1

1

10

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100

D SEC 2013 A

10

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12

3-

PÉRIMÈTRES D’INTERDICTION D’IMPLANTATION DES LOCAUX En fonction des flux critiques précédemment pris en compte, les périmètres d’interdiction d’implantation des locaux sont définis par des formules empiriques pour différents types de scénarios d’accidents possibles concernant les installations de gaz liquéfiés combustibles et de liquides inflammables. a - Installation de gaz liquéfiés inflammables • Scénario de BLÈVE Les effets dus à un BLÈVE sont essentiellement des effets thermiques (boule de feu). Les effets de surpression ne sont pas dimensionnant.

Effets thermiques

Distance minimale

Seuil de létalité (5 kW/m2)

dL = 3,12 ¥ M0,425

Seuil de brûlures significatives (3 kW/m2)

dS = 4,71 ¥ M0,405

avec : d = distance minimale comptée à partir des parois du réservoir aérien en m M = masse de gaz liquéfiés contenus dans le réservoir en kg

Application BLÈVE d’une sphère de 500 m3 de propane Coefficient de remplissage : 0,85

rL = 502 kg/m3 à 25°C dL =

=

m

dS =

=

m

• Scénario d’UVCE (Unconfined Vapor Cloud Explosion) Il s’agit de l’explosion d’un nuage ou d’une nappe de gaz ou vapeurs combustibles à la suite d’une rupture de canalisation. Les effets sont essentiellement des effets de pression. Les effets thermiques ne sont pas dimensionnant.

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b - Installation de stockage de liquides inflammables • Scénario de feu sur la cuvette Les effets sont essentiellement des effets thermiques.

Effets thermiques

Distance minimale

Seuil de létalité (5 kW/m2)

dL = 2,8 ¥ L0,85 (1 – 2,3 ¥ 10–3 ¥ L0,85)

Seuil de brûlures significatives (3 kW/m2)

dS = 3,7 ¥ L0,85 (1 – 3 ¥ 10 –3 ¥ L0,85)

avec : L = largeur de la cuvette de rétention, en regard de la zone à protéger en m d = distance minimale comptée à partir du bord de la cuvette en m

Application Incendie dans une cuvette carrée de 100 m de côté contenant des bacs de fuel. dL =

=

m

dS =

=

m

• Scénario d’explosion de la phase gazeuse d’un bac à toit fixe Les effets sont dus aux surpressions.

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Connaissance et maîtrise des phénomènes physiques et chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

TRAVAIL - ÉNERGIE - PUISSANCE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I-

DIFFÉRENTES FORMES DE L'ÉNERGIE .................................................................................... 1

II -

TRAVAIL MÉCANIQUE - UNITÉ .................................................................................................... 1 1 - Exemple de travail mécanique .................................................................................................................1 2 - Unité de travail : le joule (J) ...................................................................................................................... 2

III -

PUISSANCE - UNITÉ...................................................................................................................... 3 1 - Notion de puissance .................................................................................................................................3 2 - Unité de puissance : le watt (W)...............................................................................................................3

IV -

UNITÉS PARTICULIÈRES RELATIVES À L'ÉNERGIE THERMIQUE ......................................... 4

V-

RENDEMENT ................................................................................................................................. 5 1 - Bilan énergétique .................................................................................................................................... 5 2 - Définition du rendement .......................................................................................................................... 5

VI -

ÉQUIVALENCES ENTRE LES DIFFÉRENTES FORMES DE L'ÉNERGIE PRIMAIRE ................ 6 1 - Énergie primaire .......................................................................................................................................6 2 - Équivalences ............................................................................................................................................ 6

VII - CONVERSIONS DES UNITÉS D'ÉNERGIE .................................................................................. 8

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18/04/2006

-7

C 1 -7

1

I-

DIFFÉRENTES FORMES DE L'ÉNERGIE L’énergie est une grandeur physique relativement difficile à appréhender de façon précise car elle peut se présenter sous diverses formes plus ou moins familières ; on parle ainsi d’énergie : – – – –

chimique, accumulée dans les piles électriques ou les batteries thermique, libérée par la combustion du gaz par exemple mécanique, produite par un ressort qui se détend nucléaire, libérée par la fission des atomes d’uranium par exemple

mais aussi d’énergie de pression, d’altitude, ou d’énergie cinétique liée à la vitesse d’un corps. De plus, ces différents types d’énergie peuvent être plus ou moins facilement transformés d’une forme dans une autre. On sait ainsi que l’on peut obtenir les transformations suivantes : – énergie thermique en énergie électrique ou mécanique par l’intermédiaire de la production de vapeur et des moteurs – énergie nucléaire en énergie électrique de la même manière – énergie d’altitude en énergie électrique (barrage) – énergie de pression en énergie cinétique ou de vitesse comme c’est le cas pour la vapeur dans les tuyères d’une turbine à vapeur – énergie électrique en chaleur ou énergie thermique (chauffage) – etc. La comptabilisation de ces différentes énergies s’exprime avec des unités variées qui sont sensées s’adapter au mieux à chaque cas particulier. Il reste que le système international définit une unité d’énergie officielle : le joule et parallèlement une unité de puissance : le watt. Le travail mécanique qui constitue une énergie familière permet de définir ces deux unités de façon simple.

II -

TRAVAIL MÉCANIQUE - UNITÉ 1-

EXEMPLE DE TRAVAIL MÉCANIQUE Si l’on considère le cas d’une charge de masse m que l’on élève, comme l’indique le schéma cidessous, d’une hauteur h, il est nécessaire de fournir un certain travail mécanique pour vaincre la force contraire que constitue le poids de la charge.

Force de traction

Charge de masse m

Force de traction

h

P

P Avant déplacement Ce travail est habituellement noté W (du mot anglais Work). 02101_A_F

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D TH 2003 A

Après déplacement

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2

Le travail mécanique dépend bien entendu : – du poids P de la charge, lié à sa masse m par la relation m en kg g = 9,81 ms-2 P en N

P = m . g

en effet, plus le poids est grand, plus le travail à fournir est grand – de la hauteur d’élévation notée h, car le travail est d’autant plus grand que la hauteur est grande Le travail correspondant est obtenu par la relation : Travail = Poids x hauteur W = P x h

2-

UNITÉ DE TRAVAIL : LE JOULE Dans le système international – – –

le poids la hauteur et le travail

P est donné en newtons (N) h en mètres (m) W est obtenu en joules (J)

En conséquence, l’unité de travail, le joule, apparaît comme étant le travail mécanique correspondant à l’élévation d’un poids de 1 newton d’une hauteur de 1 mètre. Il s’agit d’une unité relativement petite dont on préfère utiliser les multiples : – le kilojoule (kJ) – le mégajoule (MJ)

1 kJ = 1000 J 1 MJ = 1000 kJ = 1000 000 J

D’une manière plus générale, l’application d’une force sur un mobile permet de déplacer celui-ci. L’énergie W dépensée pour permettre ce déplacement mesure l’intensité de la force et l’importance du déplacement. L’énergie W est alors définie comme le produit du déplacement par la force appliquée parallèlement à ce déplacement Travail ou énergie

=

W en J F en N L en m

Force x Déplacement

W = F . L Application Un engin de levage monte à une hauteur de 10 m un échangeur dont la masse est de 8 tonnes. Quel est le travail fourni ? Poids de l’échangeur :

P=

xg

=

N

Travail de la force de levage :

W=

x

=

J

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3

III - PUISSANCE - UNITÉ 1-

NOTION DE PUISSANCE La puissance traduit la rapidité d’exécution d’un travail mécanique. Monter une charge lourde au 10 ème étage d’un immeuble représente le même travail quelque soit le moyen employé. Mais l’ascenseur, l’effectuant plus rapidement que l’homme, met en œuvre une puissance plus importante. Dans le cas d’une machine qui fournit un travail constant W pendant un temps t, la puissance P est donnée par l’expression : Puissance =

P

Travail Temps W t

=

Pour un travail donné, on constate que la puissance est d’autant plus grande que le temps d’exécution est court.

2-

UNITÉ DE PUISSANCE : LE WATT Dans le système international d’unités le travail le temps la puissance

W t

P

s’exprime en joules (J) s’exprime en secondes (s) s’exprime en watts (W)

Le watt est donc la puissance d’une machine qui fournit un travail de 1 joule par seconde. Le joule est petit, le watt aussi. Aussi utilise-t-on le plus souvent ses multiples : – le kilowatt (kW) – le mégawatt (MW)

1 kW = 1000 W 1 MW = 1000 kW = 1 000 000 W

Cette définition peut être élargie aux différentes formes de l’énergie. On a ainsi : Puissance =

Énergie Temps

Cette formule s’applique bien entendu avec les mêmes unités que ci-dessus. Application L’engin mentionné précédemment est capable de lever l’échangeur en 1 min. Quelle est sa puissance ? Puissance

=

travail = temps

=

kW

=

CV

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4

Elle montre également qu’une énergie apparaît comme étant le résultat d’une puissance développée pendant un certain temps. Énergie = Puissance • Temps Si l’on exprime la puissance en kW et le temps en heures (h) il en résulte une unité d’énergie très utilisée en pratique : le kilowattheure (kWh). Le kWh est le travail (ou énergie) fournie pendant 1 heure par une machine dont la puissance est 1 kW. La correspondance avec les unités SI est la suivante : 1 kWh = 3600 kJ = 3,6 MJ Application Un moteur électrique de 50 kW travaille pendant 8000 heures par an. Exprimer en mégajoules et en kWh le travail annuel.

IV - UNITÉS PARTICULIÈRES RELATIVES À L'ÉNERGIE THERMIQUE Parmi toutes les formes de l’énergie, la chaleur ou énergie thermique a une importance particulière parce que la génération des autres formes de l’énergie passe souvent par son intermédiaire et aussi parce que la dégradation de l’énergie mécanique sous forme de frottements dans les machines se traduit toujours par l’apparition de chaleur. C’est de plus l’énergie de base des industries chimiques et pétrolières où elle apparaît lors de la combustion des combustibles gazeux ou liquides dans les fours et chaudières. Elle est également transférée d’un fluide à un autre dans les innombrables échangeurs de chaleur, tours de réfrigération, réacteurs, … mis en œuvre dans les procédés. L’énergie thermique s’exprime officiellement à l’aide du joule et de ses dérivés mais la pratique avait consacré dans le passé d’autres unités qui restent très utilisées, en particulier parce qu’elles ont une signification physique plus palpable. Il en est ainsi de la calorie (cal) et de ses multiples : – la kilocalorie (kcal) = 1000 cal – la thermie (th) ou Mcal = 1000 kcal = 1 000 000 cal L’équivalence avec les unités SI est la suivante : 1 cal = 4,185 J 1 kcal = 4,185 kJ 1 th = 4,185 MJ

1 kWh 1 thermie

= 0,8598 th = 859,8 kcal = 1,163 kWh

On rencontre également parfois l’unité anglo-saxonne d’énergie thermique. Elle est appelée BTU (British Thermal Unit) et l’on a : 1 Btu = 1055 J = 1,055 kJ C’est l’équivalent de la calorie en unités anglo-saxonnes, c’est-à-dire la quantité d’énergie qu’il faut pour élever 1 livre d’eau de 1 °F. Application Un échangeur de chaleur a une charge thermique de 3000 th/h. Exprimer cette puissance en kW 3000 th/h soit

= kW

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5

V-

RENDEMENT 1-

BILAN ÉNERGÉTIQUE Dans toute transformation énergétique, il est possible d'écrire un bilan d’énergie. Une part de l’énergie fournie n’est pas transformée en énergie utile et se trouve dégradée sous forme d’énergie perdue, généralement de la chaleur. Énergie fournie (Wf) = énergie utile (Wu) + énergie perdue (Wp)

Wp énergie perdue

D TH 2002 A

Wu énergie utile

TRANSFORMATION D'ÉNERGIE

Wf énergie fournie

L'énergie utile est celle obtenue sous la forme souhaitée. Par exemple, l’énergie électrique fournie par le réseau à un moteur électrique est transformée pour 90 % environ en énergie mécanique. Les 10 % restants correspondent à de la chaleur qui doit être dissipée par le système de refroidissement du moteur.

2-

DÉFINITION DU RENDEMENT Le rendement d'une transformation énergétique est le rapport η (ÊTA) de l'énergie utile (Wu) récupérée à l'énergie fournie (Wf) : η =

Wu Wf

Le tableau ci-dessous donne, pour quelques machines, un ordre de grandeur des rendements : ÉNERGIE FOURNIE

MACHINE

Thermique

Moteur à explosion Turbine à vapeur Chaudière domestique

mécanique mécanique thermique

35 % 40 % 70 %

Mécanique

Alternateur Dynamo

électrique électrique

95 % 90 %

Chimique

Pile Accumulateur

électrique électrique

50 % 70 %

Électrique

Moteur Radiateur Lampe à filament Cuve d'électrolyse

mécanique thermique lumineuse chimique

90 % 100 % 3% 70 %

ÉNERGIE UTILE

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RENDEMENTS

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6

La puissance étant définie comme l'énergie consommée ou utilisée par unité de temps, le rendement peut donc se calculer à partir de la puissance utile (Pu) et de la puissance fournie (Pf) : η=

Pu Pf

Compléter le tableau ci-dessous : Pu

200 W

57 kW

Pa

250 W

0,1 MW

η

%

%

200 kW kW 78 %

W 500 W 75 %

700 CV

200 kW

kW

th/h

82 %

80 %

VI - ÉQUIVALENCES ENTRE LES DIFFÉRENTES FORMES DE L'ÉNERGIE PRIMAIRE 1-

ÉNERGIE PRIMAIRE Quand on s’intéresse au bilan énergétique d’un pays, ou même plus simplement d’une usine, on est amené à prendre en compte les différentes origines de l’énergie utilisée. Cette énergie première, appelée énergie primaire, est ensuite transformée en de multiples formes mieux adaptées à l’usage. On considère généralement comme énergie primaire : – l’énergie récupérable par la combustion des combustibles minéraux solides : houille, coke, des gaz : gaz naturel , gaz de raffinerie, des produits pétroliers : fuels … – l’électricité primaire obtenue par production hydraulique ou nucléaire

2-

ÉQUIVALENCES La comptabilisation de ces énergies utilise le plus souvent des unités différentes de celles du système international. De plus, les comparaisons des consommations ont amené à définir des équivalences qui supposent des facteurs de conversion liés à des procédés précis de transformation. La référence la plus souvent employée est la tonne d’équivalent pétrole ou tep qui correspond à l’énergie rendue disponible par la combustion de 1 tonne de pétrole standard. On admet ainsi que : 1 tep = 42 000 MJ La combinaison de ces différentes énergies sous la forme d’une unité homogène permet d’établir un bilan énergétique. A titre d’exemple, les tableaux qui suivent montrent quelques statistiques relatives au bilan énergétique français.

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La valeur énergétique des charbons étant moins élevée que celle du pétrole, on utilise l’équivalence suivante : 1 tonne de charbon = 0,619 tep Pour le gaz naturel de Lacq on a : 1000 Nm3 = 0,879 tep L’énergie électrique est plus volontiers exprimée en kWh. L’équivalence entre tep et kWh doit prendre en compte le rendement observé dans les centrales thermiques. On admet en conséquence la relation suivante entre fuel consommé et électricité produite : 0,222 tep → 1000 kWh

L'équivalence vraie étant : 1 tep = 42000 MJ = 11667 kWh 0,222 tep = 2590 kWh Application Quel est le rendement standard adopté pour une centrale électrique dans l’établissement de l’équivalence précédente (0,222 tep → 1000 kWh électrique) ? – équivalence énergétique de 0,222 tep MJ

E = – conversion de E en kWh MJ

x

=

– rendement 1000 kWh E en kWh

=

1000

=

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kWh

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VII - CONVERSIONS DES UNITÉS D'ÉNERGIE Unités d’énergie Facteur multiplicatif pour convertir en : Unité

Symbole

Joule

J

kWh

kgf.m

kcal

th

BTU

J

1

2,778.10 –7

0,10197

2,388.10 –4

2,388.10 –7

9,478.10 –4

Kilowattheure

kWh

3,6 . 10 +6

1

3,671.10 +5

859,845

0,859845

3412,14

Kilogrammeforce-mètre

kgf.m

9,80665

2,724.10 –6

1

2,342.10 –3

2,342.10 –6

9,295.10 –3

Kilocalorie

kcal

4185,8

1,163.10 –3

426,935

1

0,001

3,96832

Thermie

th

4185,8.10+3

1,163

426,935.10+3

1000

1

3968,32

British Thermal Unit

Btu

1055,056

2,931.10 –4

107,586

0,251996

0,252.10 –3

1

Application Le pouvoir calorique du fuel est de 9600 kcal/kg. Quelle est sa valeur en J/kg, en MJ/kg (Mégajoule par kilogramme) ? kcal/kg PCI Fuel

J/kg

MJ/kg

9600

Unités de puissance Facteur multiplicatif pour convertir en : Unité

Symbole

Watt

W

kgf.m/s

ch

hp

kcal/h

W

1

0,101972

1,3596.10–3

1,34102.10–3

0,860

Kilogramme force mètre par seconde

kgf.m/s

9,80665

1

13,333.10–3

13,151.10–3

8,4342

Cheval vapeur

CV

735,5

75

1

0,98632

632,6

Horse power

hp

745,7

76,04

1,0139

1

741,34

Kilocalorie par heure

kcal/h

1,163

0,1186

0,00158

0,0156

1

Application Un four brûle 5 tonnes/h de gaz dont la combustion dégage 11 100 Btu/kg. Quelle est la puissance de ce four en th/h et en MW ?

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

GRANDEURS PHYSIQUES

C1

VISCOSITÉ

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - DÉFINITIONS - UNITÉS ........................................................................................................... 1 1 2 -

Viscosité dynamique .................................................................................................................... 1 Viscosité cinématique...................................................................................................................2

II - MESURE DE LA VISCOSITÉ ................................................................................................... 3 1 2 -

Viscosité cinématique...................................................................................................................3 Viscosité dynamique .................................................................................................................... 5

III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE ................................................... 6 1 2 -

Viscosité des liquides ...................................................................................................................6 Viscosité des gaz .........................................................................................................................6

BA PHY - 01669_C_F - Rév. 12

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05/05/2006

-8

1

I-

C 1 -8

DÉFINITIONS - UNITÉS La viscosité est généralement définie comme caractérisant la résistance à l’écoulement d’un fluide ; elle intervient dans tous les phénomènes liés à l’écoulement des fluides : – – – –

pertes de charge dans les tuyauteries écoulement dans les vannes, les soupapes et tous les types de restrictions pompage filtration - décantation

La viscosité est d’autant plus grande que la résistance à l’écoulement est élevée et, en raison des différentes méthodes de mesure utilisées pour la déterminer, on distingue deux types de viscosité : la viscosité dynamique et la viscosité cinématique.

1-

LA VISCOSITÉ DYNAMIQUE La viscosité dynamique µ (Mû), appelée encore viscosité absolue, traduit les interactions moléculaires au sein du fluide en mouvement. Traditionnellement, la viscosité dynamique était exprimée en poises (P) ou en centipoises (cP). Elle est maintenant mesurée dans le système international d’unités en pascal x seconde (Pa.s). En pratique, la correspondance entre les 2 systèmes d’unités est simple puisque le centipoise correspond exactement au millipascal seconde (mPa.s). 1 cP = 1 mPa.s = 0,001 Pa.s Le tableau suivant donne quelques valeurs de viscosité dynamique de fluides usuels.

Viscosité dynamique à 20°C (en cP ou en mPa.s) Liquides :

éther n-octane eau mercure kérosène

0,24 0,55 1,0 1,6 2,5

Éthylène glycol

20

Acide sulfurique pur

23

Huiles SAE 10 W 40 Gaz :

vapeur d’eau air

150 (environ) 0,010 0,019

La viscosité dynamique µ des liquides peut être mesurée par exemple à l’aide de viscosimètres rotatifs dont le principe de fonctionnement repose sur la mesure du couple résistant lié à la mise en rotation d’un mobile tournant au sein de l’échantillon à analyser.

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2

2-

C 1 -8

LA VISCOSITÉ CINÉMATIQUE La viscosité cinématique υ (Nû), d’utilisation courante pour les liquides, prend en compte la masse volumique ρ du fluide à la même température. Cette dernière intervient chaque fois que l’on détermine une viscosité en mesurant un temps d’écoulement sous charge, c’est-à-dire le temps mis par un liquide pour s’écouler à travers un orifice sous l’action de son propre poids. On conçoit en effet que le temps obtenu dépend non seulement de la viscosité propre du liquide mais aussi de sa densité. La viscosité cinématique est obtenue à partir de la viscosité dynamique par la formule : Viscosité cinématique υ =

viscosité dynamique µ masse volumique ρ

υ =

µ ρ

Habituellement exprimée en stokes (St) et en centistokes (cSt), la viscosité cinématique dans le système SI doit être mesurée en mètres carré par seconde (m2/s). La correspondance avec les unités habituelles est la suivante : 1 St = 10–4 m2/s 1 cSt = 0,01 St = 10–6 m2 /s = 1 mm2 /s 1 cSt = 1 mm2/s

Application Donner la valeur de la viscosité cinématique des corps ci-dessous : Viscosité dynamique à 20°C (mPa . s)

Masse volumique à 20°C (kg/m3)

Eau

1,00

998

Mercure

1,60

13540

Éther

0,24

710

Viscosité cinématique à 20°C (mm2/s)

On constate que le mercure et l’éther ont tous les deux une viscosité cinématique inférieure à celle de l’eau, mais pour des raisons différentes : le mercure en raison de sa très grande masse volumique, et l’éther par sa viscosité dynamique assez faible.

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3

C 1 -8

II - MESURE DE LA VISCOSITÉ 1-

VISCOSITÉ CINÉMATIQUE Les mesures de viscosité cinématique des hydrocarbures liquides se font au moyen de 2 types de viscosimètre selon que le mélange est clair ou opaque : – le viscosimètre Ubbelohde à niveau suspendu pour les liquides transparents – le viscosimètre Cannon Fenske à écoulement inversé pour les liquides opaques Tube de remplissage

Tube de remplissage Repères Repères Sens d'écoulement

Sens d'écoulement

D ANA 088 A

Tube capillaire

UBBELOHDE

CANNON-FENSKE

D ANA 086 A

À titre d’exemple, les schémas ci-après font apparaître la situation de l’appareil au déclenchement et à l’arrêt du chronomètre.

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4

C 1 -8

Quelque soit l’appareil utilisé, cette mesure fournit un temps en secondes qui, multiplié par la “constante de l’appareil”, permet d’obtenir directement la viscosité du produit en centistokes. La détermination de la viscosité peut être effectuée avec d’autres appareils qui répondent au même principe : mesure d’un temps d’écoulement d’un volume donné de produit à travers un orifice calibré. Les plus utilisés sont les viscosimètres Engler et Saybolt dont les schémas sont donnés ci-dessous.

Obturateur Repère

° ENGLER Bain marie thermostaté Mesure d'un temps d'écoulement

SSU SSF

Liquide à essayer 200 cm3

Universal Ø = 1,76 mm Furol Ø = 3,15 mm

Ajutage calibré

Flacon de réception

Fond du bain thermostatique

Flacon de réception

Appareil ENGLER

60 cm3

D ANA 087 A

Thermomètre

Niveau de remplissage

Appareil SAYBOLT

La viscosité prend alors le nom de l’appareil et s’exprime : – pour le viscosimètre Engler en degré Engler (abréviation °E) – pour le viscosimètre Saybolt en secondes Saybolt universal (SSU) si on utilise l’orifice “universal” d’un diamètre de 1,76 mm et en secondes Saybolt Furol (SSF) avec l’orifice 3,15 mm Quelque soit le type d'appareil utilisé, la mesure doit être réalisée à une température précise car la viscosité des liquides dépend très fortement de la température.

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2-

C 1 -8

VISCOSITÉ DYNAMIQUE Il existe de nombreux appareils permettant de mesurer la viscosité dynamique. Dans la plupart, le fluide est cisaillé entre deux surfaces, l'une fixe, l'autre mobile en rotation.

40

Le viscosimètre à cylindre coaxiaux est illustré ci-dessous à titre d'exemple.

Il comprend un cylindre fixe contenant le fluide et un cylindre mobile, immergé et entraîné par un moteur (formé d'un rotor et d'un stator).

50 60 70

Ressort calibré

Rotor

Le stator est suspendu et maintenu par un ressort calibré qui s'oppose à sa rotation. Le couple de réaction subi par le stator est proportionnel à la viscosité du liquide et à la température de mesure.

Stator

Cylindre mobile

Cylindre fixe

D IRA 1001 A

Cela se traduit par un angle de rotation du stator visualisé par une aiguille ou une indication numérique.

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6

C 1 -8

III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE 1-

VISCOSITÉ DES LIQUIDES D’une façon générale, la viscosité des liquides diminue très vite avec la température. Il importe donc de pratiquer les mesures à des températures parfaitement contrôlées, qui sont le plus souvent 40°C, 50°C ou 100°C. Les courbes en annexe indiquent la variation de viscosité avec la température d’échantillons de fuel-oil lourd et de fuel domestique. Application Déterminer la viscosité d’un fuel N° 2 aux températures suivantes Température (°C)

40

60

80

100

140

Viscosité (cSt)

Les planches en annexe donnent des exemples de viscosité de divers composés chimiques et des huiles moteurs.

2-

VISCOSITÉ DES GAZ Les gaz ont une viscosité dynamique beaucoup plus faible que celle des liquides. Mais à l’inverse de ceux-ci, la viscosité des gaz augmente avec la température comme le montre les planches en annexe.

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C 1 -8

VISCOSITÉ DES FUEL-OILS

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

800 600 500

800 700 600 500

VISCOSITÉ DES FUEL-OILS Spécification Exemple de produit commercial Intervalle de viscosité du produit considéré

400 300 200

400 300 200

110

100

100

FO N

FO N°1

°2

F IL

30

80 70 60 50

UE

-O EL

40

FU

L-O IL

N°

1

40

40

30

N° 2

20

20

15 10 9 8 7 6 5 4

10

9,5

8 6 5 4

FU

FOD

3 2

EL -O IL DO ME ST IQU E

3 2

1

1 0

20

40

50

60

80

100

120

140

Température (°C) — D'après GUILLERMIC —

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160

D PPC 001 A

VIscosité Cinématique (Centistokes)

80 60 50

160 1000

8

C 1 -8

VISCOSITÉ DE PRODUITS DIVERS

2000 1000 400

Fu

200

el

oi l

N°

2

Hu il e

mo

40

t eu

Ga

r 20

W

zol

20

40

e(

d= Hu

0,8

10 8

ile

9)

Viscosité cinématique (cSt ou mm2.s)

100

6 5 4

Aci

de

sul

furi

P ét

que

3

2

Ké ros è

role

à6 0%

ne

A lc

(d

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ce

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=0 ,79 0)

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0)

iqu e(

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SO

32

1 ,0 56 )

,7 1

0)

Es

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ce

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80

u Ea

nc e(

6)

,18

0,5

se

1,5 00) Flu ide t he rm

Hu

co

=1

=0

0,6

Es

(d =

de

(d

0,7

=0 ,85 5)

)

0%

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à2

Es

0,8

Hu

te Pét ur SA role E b ru 30 t (d =0 ,92 5

Cl Na

1.0 0,9

bru t (d

mo

(d

=0

,78

)

4)

Bu

ta n

Be

e

nz

èn

e Température °C

0,3

0

20

40

60

80

100

120

01669_C_F

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140

160

D PPC 046 A

0,4

180

9

C 1 -8

VISCOSITÉ DE QUELQUES GAZ — à pression atmosphérique —

-100

0

100

200

300

400

500

Viscosité dynamique (mPa.s ou cP)

-200

0,04

600

0,04

Az

0,03

ote

0,03

ar

n bo

iq u

e

Ga

zc

Ox

yg

èn

e

A ir

0,02

p Va

H yd

eu

'e rd

ro g è

au

0,02

ne

0,01

Température (°C) 0 -200

-100

0

100

200

300

400

01669_C_F

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500

0 600

D TH 1004 A

0,01

10

C 1 -8

CLASSIFICATION S.A.E. DES HUILES MOTEURS

La classification S.A.E. (Society of Automotive Engineers) définit des grades d'huile à partir de la viscosité à une température de référence : – 6 grades en W (pour winter) ; 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W À chacun de ces grades correspond : • • •

une viscosité maxi à une température basse fixée une température limite de pompabilité une viscosité mini à 100°C

Les 2 premières limites concernent le fonctionnement hivernal à froid et la 3ème la marche à chaud, moteur en température. – 5 autres grades (20, 30, 40, 50, 60) garantissant uniquement une viscosité minimale à 100°C donc sans garantie de fonctionnement à froid. Une huile moteur est dite : • monograde si elle rentre dans un seul des grades ci-dessus (ex : 5AE 10 W) • multigrade si elle respecte un des grades en W et un des autres (ex SAE 10 W/30) CLASSIFICATION S.A.E.

Grade de viscosité SAE

VISCOSITÉ À basse température mPa.s (°C) CCS

À 100°C (ASTM D-445) mm2 /s

Température limite de pompabilité (°C) ASTM D-4684

Max.

Min.

Max.

Min.

0W 5W 10W à froid 15W 20W 25W

3 250 (– 30) 3 500 (– 25) 3500 (– 20) 3 500 (– 15) 4 500 (– 10) 6 000 (– 5)

3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3

— — — — — —

– 35 – 30 – 25 – 20 – 15 – 10

20 30 à chaud 40 50 60

— — — — —

5,6 9,3 12,5 16,3 21,9

9,3 12,5 16,3 21,9 26,1

— — — — —

1 cP = 1 mPa . s

1 cSt = 1 mm2/s

01669_C_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DES CORPS PURS

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C2

I - VAPORISATION ET CONDENSATION D'UN CORPS PUR À PRESSION CONSTANTE ...... 1 1 2 3 4 5

II -

-

Expérience de vaporisation .......................................................................................................... 1 Expérience de condensation ........................................................................................................ 3 Température d’ébullition ...............................................................................................................3 Vaporisation et condensation à différentes pressions ..................................................................3 Courbes de tension de vapeur des corps purs ............................................................................5

UTILISATION DE LA COURBE DE TENSION DE VAPEUR D'UN CORPS PUR .................... 6 1 2 3 -

Détermination d’une tension de vapeur........................................................................................ 6 Détermination d’une température de condensation ..................................................................... 7 Vaporisation d’un liquide par détente ...........................................................................................8

III - CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES LIÉES À LA VAPORISATION D’UN CORPS PURS NOTION DE POINT CRITIQUE................................................................................................. 9 1 2 3 -

Caractéristiques physiques - Chaleur de vaporisation ................................................................. 9 Notion de point critique.................................................................................................................9 Notion de volatilité ...................................................................................................................... 12

BA ELV - 02137_A_F - Rév. 1

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12/07/2005

-1/A

1

C 2 -1/A

En fonction des conditions de température et de pression dans lesquelles il se trouve un corps pur peut se rencontrer à l'état solide, liquide, ou vapeur. Les changements d'état intéressant la distillation correspondent au passage de l'état liquide à l'état vapeur, appelé vaporisation, et à la transformation inverse, dénommée condensation. Vaporisation

ETAT VAPEUR OU GAZEUX

ETAT LIQUIDE Condensation

Quand, dans un appareillage quelconque, il y a coexistence et contact de deux phases liquide et vapeur à la même température et à la même pression, on parle alors d'équilibre liquide-vapeur. Le terme équilibre traduit le fait que les phénomènes mis en jeu répondent à des lois physiques bien précises. Dans le cadre de la distillation, il est particulièrement intéressant d'étudier les équilibres liquide-vapeur ainsi que les changements d'état physique à pression constante.

I-

VAPORISATION ET CONDENSATION D'UN CORPS PUR À PRESSION CONSTANTE 1-

EXPÉRIENCE DE VAPORISATION Le phénomène de vaporisation d'un corps pur à pression constante peut être observé grâce à un cylindre dans lequel on a introduit le corps pur et à un piston étanche muni d'un manomètre que l'on peut déplacer pour maintenir la pression à une valeur constante. A titre d'exemple, il est décrit ci-dessous une expérience de vaporisation du n-butane sous la pression constante de 10 atmosphères. Le butane est liquide à la température de départ et l'on chauffe progressivement tout en déplaçant le piston pour compenser la dilatation du liquide et l'expansion du volume due à la vaporisation.

Liquide

1

Liquide + vapeur

2

3

4

Vapeur

5

6

7

10 10 10

10

10

10

20

70

80,8

80,8

80,8

80,8

100

D TH 010 B

10

Pression (atm) APPORT DE CHALEUR Température (°C)

02137_A_F

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2

C 2 -1/A

Le schéma précédent représente 7 phases de l'expérience notées 1 à 7 qui sont repérées par leur numéro dans la description qui suit.

ÉTAPE

1

Conditions opératoires P = 10 atm.

OBSERVATIONS Le butane est entièrement à l'état liquide

T = 20°C 2

P = 10 atm. T = 70°C

3

P = 10 atm. T = 80,8°C

4 et 5

6

P = 10 atm. T = 80,8°C

P = 10 atm. T = 80,8°C

7

P = 10 atm. T = 100°C

Pour passer de l'état 1 à l'état 2 on a apporté une certaine quantité de chaleur, ce qui a pour effet d'élever la température du butane liquide de 20°C à 70°C, sans changement d'état physique. Cette chaleur est dite du type "chaleur sensible". Début de la vaporisation : on assiste à l'apparition des premières bulles de vapeur de butane. Le liquide parvenu à sa température de vaporisation est appelé liquide saturé. Vaporisation progressive du butane qui se poursuit à température constante. L'apport continu de chaleur sans changement de température sert donc uniquement à vaporiser le butane. Cette quantité de chaleur nécessaire au changement d'état physique est dite du type "chaleur latente". Fin de vaporisation du butane, qui est maintenant entièrement vapeur à l'exception d'une dernière goutte de liquide. La vapeur qui est ainsi à la limite de la condensation est aussi appelée vapeur saturée. Le butane est entièrement à l'état vapeur ou gazeux. Pour passer de l'état 6 à l'état 7 , la chaleur fournie a pour effet d'élever la température du gaz de 80,8°C à 100°C. Il s'agit de chaleur sensible puisqu'il n'y a pas de changement d'état.

Le butane gazeux à 100°C sous la pression de 10 atm., est nettement au-dessus de sa température de condensation, on dit qu'il est à l'état de "vapeur surchauffée". A 20°C ou à 70°C, le butane liquide sous la pression considérée est éloigné de sa température de vaporisation ; il est qualifié de liquide "sous refroidi". Dans les autres cas, 3 à 6 , il y a coexistence des deux phases liquide et vapeur : on est à l'équilibre liquide-vapeur et les deux phases en présence sont dites saturées.

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3

2-

C 2 -1/A

EXPÉRIENCE DE CONDENSATION Elle consiste à réaliser l'opération inverse. En partant de vapeur de n-butane surchauffée, on observe successivement les étapes suivantes : - refroidissement de la vapeur de 100°C jusqu'à 80,8°C par élimination de chaleur sensible. À 80,8°C la vapeur de n-butane est saturée - condensation à la température constante de 80,8°C avec restitution de la chaleur latente absorbée lors de la vaporisation et dénommée dans ce cas chaleur latente de condensation, - refroidissement du liquide de 80,8°C à 20°C par élimination de chaleur sensible.

3-

TEMPÉRATURE D'ÉBULLITION L'expérience précédente montre qu'à pression constante le butane se vaporise ou se condense à température constante. Cette température de changement d'état est identique en vaporisation et en condensation. Il en est de même pour tous les corps purs et l'on appelle la température de vaporisation et de condensation température d'ébullition du corps pur sous la pression considérée. Dans le cas où la pression est égale à 1 atmosphère absolue, la température d'ébullition est appelée température d'ébullition normale. Cette dernière fait partie de ce que l'on appelle les constantes physiques d'un corps pur. Le tableau ci-après donne quelques valeurs de températures d'ébullition normales.

4-

Corps pur

eau

alcool éthylique

propane

n-butane

Benzène

Styrène

Chlorure de vinyle

t eb normale (°C)

100

78,3

- 42,1

- 0,5

80,1

145,2

- 13,4

VAPORISATION ET CONDENSATION À DIFFÉRENTES PRESSIONS L'expérience précédente peut être renouvelée à différentes pressions. On constate que la température d'ébullition du corps pur augmente quand la pression croît. Le tableau ci-dessous donne, pour le n-butane, la correspondance Pression-Température d'ébullition. P. (atm.) t eb (°C) n-butane

0,2 - 37

0,3

0,5

0,7

-28,5

-17,8

- 9,6

1

1,5

5

- 0,5

10,5

50,9

10 80,8

15

20

101

117

Dans un diagramme où sont reportées la pression et la température, cet ensemble de valeurs définit une courbe caractéristique appelée courbe de tension de vapeur du n-butane que l'on peut tracer sur la page suivante à partir des valeurs indiquées ci-dessus.

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4

C 2 -1/A

02137_A_F

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0 -50

5

10

15

Pression (atm)

D GEN 2018 A

0

50

100

Température (°C)

150

COURBE DE TENSION DE VAPEUR DU n-BUTANE

5

5-

C 2 -1/A

COURBES DE TENSION DE VAPEUR DES CORPS PURS

Pression en atm

Chaque corps pur possède, comme le n-butane, une courbe de tension de vapeur qui délimite, dans le diagramme pression-température, deux zones comme représenté ci-dessous.

COURBE DE TENSION DE VAPEUR

Etat LIQUIDE

Etat VAPEUR V

P2 P3 L+

V

Température en (°C)

t1

t3

D TH 009 D

L

P1

t2

- la zone située à gauche de la courbe correspond au domaine d'existence du corps pur à l'état liquide. Les conditions de pression P1 et de température t1 (point L) définissent le corps pur à l'état liquide -

la zone située à droite correspond au domaine d'existence à l'état vapeur (point V, conditions P2, t2)

- sur la courbe elle-même (conditions P3 et t3 par exemple) il y a coexistence des deux phases liquide et vapeur

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6

II -

C 2 -1/A

UTILISATION DE LA COURBE DE TENSION DE VAPEUR D'UN CORPS PUR 1-

DÉTERMINATION D'UNE TENSION DE VAPEUR Pour un corps pur donné, la présence simultanée de deux phases liquide et vapeur suppose donc des conditions telles que leur point représentatif dans le diagramme pression-température soit situé sur la courbe de tension de vapeur du corps pur. Il en découle que : - à pression fixée il n'y a qu'une seule température pour laquelle les deux phases peuvent coexister. Il s'agit de la température d'ébullition dénommée aussi parfois température d'équilibre - à température fixée il n'existe qu'une seule pression pour laquelle on a présence simultanée des deux phases liquide et vapeur. Cette pression est appelée tension de vapeur du corps pur liquide à la température considérée À titre d'exemple, on a représenté ci-dessous une sphère contenant du propane liquide et gazeux à la température de 20°C.

P

Courbe de tension de vapeur du propane

Propane Gazeux

Pression 20 °C

— LIQUIDE — TV 20 C3

— VAPEUR — Température (°C) 20

La condition d'équilibre liquide-vapeur étant réalisée, puisqu'il y a coexistence des deux phases, la pression P régnant dans le ballon est la tension de vapeur du propane liquide à 20°C, que l'on note 20

TV C3. La courbe de tension de vapeur du propane disponible en annexe permet d'en lire la valeur : P = TV

20 C3 =

atm. abs.

On peut remarquer que, pour le propane comme pour les autres corps purs, la tension de vapeur augmente avec la température. Ainsi, à 40°C la pression dans la sphère deviendrait : 40

TV C3 =

atm. abs.

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. On peut remarquer qu'à température constante les tensions de vapeur varient de manière importante d'un corps pur à l'autre.

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D TH 072 B

Propane Liquide

7

2-

C 2 -1/A

DÉTERMINATION D'UNE TEMPÉRATURE DE CONDENSATION La courbe de tension de vapeur permet également de déterminer la température d'ébullition ou de condensation d'un corps pur à une pression fixée. Dans le cas où l'on condense un corps pur vapeur à pression déterminée, la courbe de tension de vapeur permet de déterminer la température de condensation.

3 bar abs. 150°C

100°C

La température de condensation de la vapeur d’eau sous 3 bar abs :

D PCD 506 D

Vapeur d'eau

°C .

On peut observer que les conditions de température indiquées supposent une désurchauffe de la vapeur avant condensation et un sous refroidissement des condensats après condensation.

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8

3-

C 2 -1/A

VAPORISATION D’UN LIQUIDE PAR DÉTENTE L’expérience de vaporisation d’un corps pur à pression constante montre que l’ébullition se produit quand la température devient égale à la température d’ébullition du corps pur. De la même façon, s’il s’agit d’une variation de pression, la vaporisation commence quand la pression supportée devient égale à la tension de vapeur du corps pur. Ainsi, un corps pur maintenu liquide sous pression à température constante (point 1 sur le schéma, conditions P1 et t1 ) commence à se vaporiser par détente quand la pression devient égale à sa tension t

de vapeur (point 2, conditions P2 = TV1 t 2 = t1 ).

Pression

P1

1

LIQUIDE P2 = TVt1

2

D TH 012 G

VAPEUR

t1 = t2

Température

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9

C 2 -1/A

III - CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES LIÉES À LA VAPORISATION D’UN CORPS PUR NOTION DE POINT CRITIQUE 1-

CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES - CHALEUR DE VAPORISATION Le passage de l’état liquide à l’état gazeux correspond à la transformation d’un certain nombre de propriétés physiques de ces fluides : propriétés optiques différentes puisqu’on distingue un niveau, densité plus élevée pour le liquide que pour la vapeur, etc. Cette transformation s’accompagne, comme on l’a déjà vu, d’une consommation d’énergie pour le passage liquide-vapeur ou d’une restitution d’énergie pour le passage inverse. Plus précisément, on appelle chaleur latente de vaporisation la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg de liquide saturé pour le transformer en vapeur saturée à la même température. Elle s’exprime par exemple en kcal/kg et elle est souvent notée Λ (lambda). La chaleur latente de condensation a la même valeur si la température de changement d’état est la même. À titre d’exemple, le tableau ci-dessous regroupe les valeurs des chaleurs latentes de vaporisation de quelques corps purs correspondant au changement d’état physique sous la pression de 1 atmosphère, c’est-à-dire à leur température d’ébullition normale. Corps Méthane Éthane Propane Butane Benzène Eau

2-

teb (°C) à P = 1 atm

Λ (kcal/kg)

– 161,5 – 89 – 42 0,5 80 100

122 116 101 92 93 539

NOTION DE POINT CRITIQUE Si l’on considère, pour un corps pur donné, plusieurs expériences de vaporisation à pression croissante, donc à température de plus en plus élevée, on constate que : - les différences de propriétés physiques s’amenuisent, en particulier la masse volumique : celle du liquide diminue à cause de l’élévation de température et celle de la vapeur augmente à cause de l’augmentation de pression. Le tableau ci-dessous indique les masses volumiques liquide et vapeur du propane en fonction de la température. t (°C)

– 42

0

50

80

97

Masse volumique liquide (kg/m3)

581

529

448

373

217

Masse volumique vapeur (kg/m 3 )

2,4

10,4

38,8

84

217

02137_A_F

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10

-

C 2 -1/A

la chaleur de vaporisation diminue, ce qui veut dire que les deux phases se ressemblant de plus en plus, la dépense d’énergie pour passer de l’une à l’autre devient de plus en plus faible. Le tableau ci-dessous montre l’évolution de la chaleur latente de vaporisation du propane avec la température. t (°C)

– 42

0

50

80

97

Λ (kcal/kg)

101

78,5

68

46

0

À la limite, les deux phases deviennent identiques et ce faisant, la chaleur de vaporisation devient nulle. Il existe ainsi une pression et donc une température extrêmes au-delà desquelles il n’y a plus de changement d’état possible. Ces conditions limites déterminent le point final de la courbe de tension de vapeur appelé point critique et repéré par la lettre C auxquelles correspondent la pression critique (Pc) et la température critique (tc) du corps pur. Pression

C

Pression critique

Point critique

Courbe de tension de vapeur

— LIQUIDE —

D TH 012 A

— VAPEUR —

Température critique

Température

Le tableau ci-dessous regroupe les valeurs des coordonnées critiques de quelques corps purs.

teb normale °C

tc (°C)

Pc (atm)

Hydrogène Oxygène Azote

– 252,8 – 183 – 196

– 239,7 – 118,3 – 146,9

12,8 50,1 33,5

Méthane Éthylène Éthane Propane n-butane

– 161,5 – 103,7 – 88,6 – 42,1 – 0,5

– 81,9 9,4 32,5 97,0 152,2

45,8 50,0 48,2 42 37,5

Benzène Toluène Eau

80,1 110,8 100

289 318,6 374,15

48,4 40,5 218,3

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C 2 -1/A

On voit ainsi que la vaporisation d’un corps pur liquide est impossible à une pression supérieure à sa pression critique. De même, la condensation d’un corps pur gazeux ne peut pas être réalisée à une température supérieure à sa température critique. Des gaz comme l’hydrogène, l’air (oxygène-azote), le méthane, l’éthylène ne peuvent être condensés à température ambiante. Leur liquéfaction nécessite des installations frigorifiques. À titre de résumé, le schéma ci-dessous regroupe les principales notions présentées dans les paragraphes précédents. Vaporisation impossible

Pression

Point critique

Pression critique du corps pur

PC

C

E

LI Q

D

Température d'ébullition normale

1 atm.

UI

teb°

t fixée

VAPEUR SURCHAUFFÉE

teb sous P

TC

D TH 013 D

Tension de vapeur à t

TVt

Température critique du corps pur

SA TU

RÉ

P fixée

Température d'ébullition sous P

VAP

EU

LIQUIDE SOUS-REFROIDI

Condensation impossible

RS ATU RÉE

Courbe de tension de vapeur

Température

Courbe de tension de vapeur d’un corps pur -

domaine liquide : à gauche de la courbe domaine vapeur : à droite de la courbe liquide saturé : liquide à l’ébullition, point représentatif sur la courbe de tension de vapeur vapeur saturée : vapeur à la limite de la condensation, point représentatif sur la courbe de tension de vapeur - température d’ébullition : température indiquée par la courbe pour une pression déterminée - tension de vapeur : pression exercée par la vapeur en contact avec le liquide. Valeur fournie par la courbe en fonction de la température 02137_A_F

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12

3-

C 2 -1/A

NOTION DE VOLATILITÉ La distillation est un procédé de séparation capable de différencier les constituants d'un mélange par leur volatilité. Cette caractéristique de volatilité peut, pour un corps pur, être traduite par les propriétés mise en évidence par la courbe de tension de vapeur : la température d'ébullition et la tension de vapeur. Si l'on compare ces propriétés pour plusieurs corps purs, on observe des différences de comportement qui sont à la base des écarts de volatilité permettant la distillation. Le diagramme ci-après représente à titre d'exemple les courbes de tension de vapeur de trois corps purs notés respectivement a, b, c.

a

Pression

b

c

TV a

P3 = TV b

Température teb a

teb b

D TH 210 B

TV b

t3 = teb c

Si la température est fixée (par exemple à une valeur repérée par t3 sur le diagramme), les tensions de vapeur de ces trois corps à cette température choisie sont respectivement TVa, TVb et TVc. Elles sont différentes et peuvent être classées comme suit : TV a > TVb > TVc Cette différence traduit le fait que le corps noté a manifeste une plus forte tendance à se vaporiser que le corps noté b ; il en est de même pour le corps b par rapport au corps c. On exprime cela en disant que le corps a est plus volatil que le corps b, lui-même plus volatil que c. a plus volatil que b b plus volatil que c

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13

C 2 -1/A

D'autre part, si c'est la pression qui est fixée (par exemple à une valeur repérée par P3 sur le diagramme), les températures d'ébullition de ces corps à la pression choisie peuvent être lues sur le même diagramme : teb a, teb b et teb c. Le corps a qui a la plus forte tension de vapeur possède la plus faible température d'ébullition. Le corps c au contraire possède la plus faible tension de vapeur et la plus forte température d'ébullition. teba < tebb < tebc Pour ces trois corps purs, les diverses constatations précédentes aboutissent en fait au même classement global de volatilité, comme le résume le schéma ci-dessous :

VOLATILITE + volatils

TENSION DE VAPEUR + forte

corps pur a

corps pur b corps pur c

- volatils

+ basse

TVa

teba

TV b

tebb

TV c

tebc

+ faible

+ élevée TEMPERATURE D'EBULLITION

Ainsi les hydrocarbures purs peuvent être classés par ordre de volatilité croissante de deux manières : -

soit par ordre croissant de leur tension de vapeur (mesurée à une température fixée) soit par ordre décroissant de leur température d'ébullition (mesurée à pression fixée)

Ce sont ces différences de volatilité des corps purs les uns par rapport aux autres qui sont exploitées dans la séparation des mélanges par distillation.

02137_A_F

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-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

02137_A_F

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D PPC 010 AE

-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 e an ex H n-

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)

ane

Mé th

50

-100

e lè n Eth y

ne ha Et

-200

14

C 2 -1/A

02137_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

0

0

D TH 019 A

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,013

10

10

20

20

30

30

40

40

50

50

60

60

70

70

80

80

100

110

120

130

90

100

110

120

Température (°C) 130

COURBE DE TENSION DE VAPEUR DE L'EAU DE 0 À 100°C

90 760

0

100

200

300

400

500

600

700

750

15

C 2 -1/A

Pression (mm Hg)

Pression (bar)

16

C 2 -1/A

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

02137_A_F

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300

350

400

D TH 018 E

0,2

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DES MÉLANGES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C2

I - DOMAINE D’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES ......... 1 1 2 3 -

Vaporisation et condensation à pression constante..................................................................... 1 Interprétation ................................................................................................................................ 2 Domaine d’équilibre liquide-vapeur .............................................................................................3

II - ÉTUDE DU FLASH D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES .................................................. 4 1 2 -

Mise en œuvre du flash................................................................................................................ 4 Étude des compositions des phases liquide et vapeur d’un flash ................................................ 5

III - TENSION DE VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES ......................................... 10 1 2 -

Signification ................................................................................................................................ 10 Expression de la tension de vapeur d’un mélange d’hydrocarbures .......................................... 12

BA ELV - 02150_A_F - Rév. 3

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18/05/2006

-1/B

C 2 -1/B

1

I-

DOMAINE D’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES 1-

VAPORISATION ET CONDENSATION À PRESSION CONSTANTE L'expérience de vaporisation peut, comme pour un corps pur, être réalisée dans un cylindre muni d'un piston étanche que l'on peut déplacer pour maintenir la pression à la valeur fixée P1. La température de départ t1 est telle que le mélange est à l'état liquide. On a représenté et numéroté les différentes phases de l'expérience sur le schéma ci-dessous.

Liquide

Liquide + vapeur

tb

t3

t4

tr

t6

D TH 010 K

t1

Vapeur

Pression (atm) APPORT DE CHALEUR

Température (°C)

en 1

Le mélange est entièrement à l'état liquide. Il est éloigné de ses conditions de vaporisation, on dit qu'il est sous refroidi.

en 2

La température du mélange s'élève par apport de chaleur sensible et à la température t b apparaît une première bulle de vapeur. Cette température de début de vaporisation est appelée température de bulle du mélange sous la pression P1. On dit aussi que le mélange est à son point de bulle.

en 3 et 4

La vaporisation se poursuit progressivement par apport de chaleur latente de vaporisation. Mais contrairement à ce que l'on a observé pour les corps purs la température continue à croître pendant la vaporisation.

en 5

Le mélange a atteint la température de fin de vaporisation. Cette température est appelée température de rosée du mélange sous la pression P1. Le mélange est à l'état de vapeur saturée, on dit aussi qu'il est à son point de rosée.

en 6

L'apport de chaleur provoque une augmentation de la température de la vapeur qui passe donc à l'état de vapeur surchauffée.

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C 2 -1/B

2

La condensation du mélange pris à l'état de vapeur surchauffée amène des observations similaires, mais ordonnées dans le sens inverse : - désurchauffe de la vapeur de t6 à tr, - début de condensation à la température de rosée du mélange, - condensation à température décroissante avec libération de la chaleur latente de condensation, - fin de la condensation à la température de bulle du mélange : tb, - sous refroidissement du liquide de tb à t 1.

2-

INTERPRÉTATION Le comportement d'un mélange d'alcanes lors de la vaporisation (ou de la condensation) à pression constante se traduit donc par l'apparition d'un intervalle de température où il y a coexistence du liquide et de la vapeur, comme le montre le schéma suivant :

LIQUIDE

LIQUIDE + VAPEUR t3

t2

Mélange liquide sous-refroidi

t4

Mélange vapeur surchauffée

Coexistence de deux phases tb

t6

t5

TEMPÉRATURE

tr

Température de bulle

Température de rosée

D TH 212 A

t1

VAPEUR

-

En dessous de sa température de bulle le mélange est à l'état liquide sous refroidi.

-

Au dessus de sa température de rosée il est vapeur surchauffée.

-

Entre les températures de bulle et de rosée, il se présente sous la forme d'un mélange de liquide et de vapeur. La proportion de liquide dans le mélange décroît quand on passe du point de bulle au point de rosée.

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3

3-

DOMAINE D'ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR L'expérience précédente peut être répétée à différentes pressions. Comme pour les températures d'ébullition des corps purs on observe alors que les températures de bulle et de rosée s'élèvent quand la pression augmente. L'ensemble de ces températures reporté dans un diagramme pressiontempérature permet de tracer deux courbes : - une courbe de bulle reliant l'ensemble des points de bulle, - une courbe de rosée reliant l'ensemble des points de rosée. Ces deux courbes font apparaître trois domaines comme cela est représenté sur le schéma ci-après :

% vaporisé du mélange croissant

1

% en vapo m o r is le é

bu e d

50

— LIQUIDE —

ll e

Pression

ée

e rb u Co — L + V — 2

C

r ou

be

r de

os

3 D TH 077 D

— VAPEUR —

Température

-

domaine 1 à gauche de la courbe de bulle : le mélange est liquide,

-

domaine 2 entre les courbes de bulle et de rosée : le mélange est partiellement vaporisé, il y a équilibre liquide-vapeur,

-

domaine 3 à droite de la courbe de rosée : le mélange est gazeux.

Les phénomènes de distillation peuvent être mis en évidence quand on réalise une séparation liquidevapeur d'un mélange. Cela suppose que l'on se situe dans la zone 2 du schéma ci-dessus. L'opération de séparation liquide-vapeur correspondante est souvent appelée flash. Elle permet de faire apparaître les différences de comportement des constituants du mélange en fonction de leur volatilité.

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4

II -

ÉTUDE DU FLASH D'UN MÉLANGE D'HYDROCARBURES 1-

MISE EN OEUVRE DU FLASH Réaliser un flash consiste par exemple, à vaporiser partiellement un mélange de départ appelé charge, grâce à un chauffage approprié ; puis à séparer en continu les deux phases liquide et vapeur à l'aide d'un ballon , dit "ballon de flash". La même situation peut aussi être réalisée après condensation partielle d'un mélange à l'état vapeur. L'appareillage utilisé est représenté ci-dessous :

P

Échangeur de chaleur

Vapeur

Ballon séparateur PRC

T

FRC

LRC

Mélange d'alimentation

TRC

Liquide

D PCD 031 C

Pompe

Les différentes boucles de régulation représentées sur le schéma permettent d'assurer : -

un débit constant de charge (FRC au refoulement de la pompe) des conditions de température et de pression constantes dans le ballon (TRC et PRC) un niveau constant (LRC sur le niveau du ballon)

Les conditions de pression et de température du ballon déterminent l’état de vaporisation de la charge : -

à une pression plus faible correspond un mélange plus vaporisé à une température plus forte correspond aussi un mélange contenant plus de vapeur

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C 2 -1/B

5

2-

ÉTUDE DES COMPOSITIONS DES PHASES LIQUIDE ET VAPEUR D'UN FLASH À titre d'exemple, on s'intéresse au flash du mélange suivant : Constituants

% Molaire

Éthane Propane iso-butane n-butane iso-pentane n-pentane

8 22 14 24 10 22

TOTAL

100

Les domaines d’équilibre de ce mélange sont donnés page 7. Les conditions opératoires du "flash" sont : - débit de charge - pression - température

: : :

100 kmol/h soit 5 716 kg/h 10 atm, 75°C

Le pourcentage vaporisé du mélange est de

% mol

- débit de vapeur : - débit de liquide :

soit :

kmol/h (2 629,8 kg/h) kmol/h (3 086,2 kg/h)

En masse le pourcentage vaporisé correspondant est : % vaporisé =

=

02150_A_F

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%

C 2 -1/B

6

a - Bilan matière et compositions Puisqu'il s'agit d'un procédé continu on peut établir le bilan matière du ballon en s'assurant que ce qui entre est égal à ce qui sort. Cela est vrai globalement : 100 kmoles charge = 50 kmoles vapeur + 50 kmoles liquide, mais aussi pour chaque constituant de la charge. La somme des débits d'un constituant dans la vapeur et dans le liquide doit être égale au débit de ce constituant dans la charge : 8 kmoles éthane dans la charge = 6,8 kmoles vapeur + 1,2 kmoles liquide. Le tableau de bilan matière ci-dessous permet de s'assurer de toutes ces égalités.

Charge

Vapeur

Liquide

kmol/h

kg/h

kmol/h

kg/h

kmol/h

kg/h

Éthane

8

240

6,8

204,0

1,2

36,0

Propane

22

968

15,1

664,4

6,9

303,6

Iso-butane

14

812

7,4

429,2

6,6

382,8

n-butane

24

1 392

11,3

655,4

12,7

736,6

Iso-pentane

10

720

3,2

230,4

6,8

489,6

n-pentane

22

1 584

6,2

446,4

15,8

1 137,6

100

5 716

50,0

2 629,8

50,0

3 086,2

Ces résultats font également apparaître des différences de composition entre la vapeur et le liquide. On peut calculer en effet les pourcentages molaires de chaque constituant en phase liquide et vapeur et observer les différences correspondantes en complétant le tableau suivant.

Composition en % molaire Charge

Phase vapeur

Éthane Propane Iso-butane n-butane Iso-pentane n-pentane

02150_A_F

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Phase liquide

50

60

70

80

90

100

110

110

120

120

12

14

16

18

20

22

24

02150_A_F

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0 -50

100

Pression (bar)

D TH 2004 A

Température (°C)

0

2

40

90

2

30

80

4

20

70

4

10

60

6

0

50

0%

6

-10

40

%

8

-20

30

10

8

-30

20

8 % molaire 22 % molaire 14 % molaire 24 % molaire 10 % molaire 22 % molaire

10

Courbe iso % vaporisé molaire

Éthane Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane

0

30 %

10

-40

30 %

Composition du mélange

-10

50 %

10

12

14

16

18

20

22

-20

% 70

-30

% 90

24

-40

0% 10

-50

7

C 2 -1/B

DOMAINES D'ÉQUILIBRE D'UN MÉLANGE COMPLEXE

C 2 -1/B

8

b - Comportement des constituants en fonction de leur volatilité dans un flash Dans le tableau précédent, les hydrocarbures sont rangés dans l'ordre de volatilité décroissante. Cela permet de mettre en évidence le fait que les plus volatils d'entre eux sont davantage présents dans la vapeur. Ceux-ci ont en effet une concentration molaire plus grande en phase vapeur qu'en phase liquide. Cela concerne l’Éthane, le Propane et l'Isobutane, qui sont dits "légers". Par contre, les composés moins volatils sont davantage présents dans la phase liquide. Leur concentration molaire est en effet plus grande dans le liquide que dans la vapeur. Pour cette raison, ils sont dits "lourds". Dans une séparation liquide-vapeur les constituants de la charge manifestent donc des différences de comportement dans leur répartition entre phase vapeur et phase liquide : -

les composés volatils ou "légers" ont une plus forte tendance à se diriger dans la vapeur

- les constituants peu volatils ou "lourds" ont eux une plus forte tendance à se concentrer dans le liquide De manière habituelle, on dit qu'un mélange plus riche qu'un autre en composés plus volatils (ou légers) est "plus léger". Il en est de même d'un mélange contenant moins de composés lourds. Au contraire, un mélange plus riche qu'un autre en composés moins volatils (ou lourds) est dit "plus lourd". Il en est de même d'un mélange moins riche en composés légers. A partir du tableau donnant les compositions de la charge, de la vapeur et du liquide, on constate que : -

la vapeur est plus riche en légers que la charge le liquide est plus riche en lourds que la charge

Cette séparation élémentaire est illustrée par le schéma ci-dessous. VOLATILITÉ GLOBALE DES MÉLANGES Mélange plus volatil Volatilité de la vapeur (plus riche en constituants volatils)

Volatilité du liquide (plus riche en constituants lourds) Mélange plus lourd

02150_A_F

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D TH 214 A

Volatilité du mélange de la charge

9

C 2 -1/B

Ces différences de volatilité ou de composition entre les phases ne sont toutefois pas extrêmement importantes car la vapeur plus légère contient toujours des constituants lourds et le liquide plus lourd contient des composants légers. On dit qu'un flash est une opération de séparation peu sélective et cela justifie, quand on désire des séparations conduisant à des produits purs à répéter un grand nombre de fois la séparation précédente en mettant en oeuvre des colonnes de distillation. Le résultat d'un flash en ce qui concerne les compositions des phases vapeur et liquide obtenues dépend toutefois des conditions opératoires pratiquées. L'étude qui suit permet de montrer les conséquences de variations de température ou de pression.

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C 2 -1/B

10

III - TENSION DE VAPEUR D'UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES 1-

SIGNIFICATION a - Cas d'un mélange à son point de bulle Si l'on considère un ballon dans lequel un mélange a été introduit en quantité telle qu'un niveau de liquide s'est établi, la pression régnant dans le ballon est appelée tension de vapeur du liquide à la température de l'expérience.

P Vapeur

t P = TVliquide

Liquide

D TH 007 A

t

En fait la quantité de gaz contenu dans le "ciel" au-dessus du niveau est négligeable par rapport à celle de liquide. On peut donc considérer que le mélange global introduit dans le ballon est à son point de bulle Domaine d'équilibre du mélange

Pression

ll e

— LIQUIDE —

C

e

ée

rb ou

bu e d

C

P

r ou

be

r de

os

D TH 077 K

— VAPEUR —

tBulle

Température

Le domaine d'équilibre du mélange permet d'obtenir la valeur de la pression donc de la tension de vapeur qu'on appelle aussi pression de bulle du mélange.

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C 2 -1/B

11

b - Cas d'un ballon de séparation liquide-vapeur Dans ce cas le mélange est partiellement vaporisé et la séparation des phases vapeur et liquide se fait dans le ballon. Les conditions opératoires (température et pression) déterminent la fraction vaporisée du mélange ainsi que le montre le diagramme d'équilibre.

Domaine d'équilibre du mélange d'alimentation or i vap

%

P

10

0%

Vapeur

u ll

e

— LIQUIDE —

50

0%

vap

or i

sé

sé

Pression

e

P

Co

ur

b

e ed

Mélange d'alimentation

ro

— VAPEUR —

T Liquide

Température

T

Les deux phases obtenues sont en équilibre : - la vapeur est à son point de rosée. En effet une légère baisse de la température provoquerait sa condensation, - le liquide est à son point de bulle. Une faible augmentation de sa température suffirait à le vaporiser. De ce fait la pression régnant dans le ballon est la pression de bulle ou tension de vapeur du liquide. t

P = TVliquide

02150_A_F

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D TH 077 L

ur

eb

sé

Co

d be

C 2 -1/B

12

2-

EXPRESSION DE D’HYDROCARBURES

LA

TENSION

DE

VAPEUR

D'UN

MÉLANGE

a - Expériences Trois ballons maintenus à la même température contiennent respectivement : - le premier du propane pur, - le second un mélange propane-n-butane, - le troisième du n-butane. P2

20°C

Propane

P3

20°C

Propane + n-butane

20°C

n-butane

D TH 2101 A

P1

Les conditions d'équilibre étant respectées : - la pression P1 est la TV du propane à 20°C, soit P1 =

atm

- la pression P3 est la TV du n-butane à 20°C, soit P3 =

atm

- P2 est la TV du mélange propane-n-butane à 20°C. Cette dernière a une valeur intermédiaire comprise entre les deux autres et elle dépend des proportions de propane et de n-butane, c'est-à-dire de la composition du mélange. Dans le cas des mélanges d'alcanes, la loi de Raoult permet d'apprécier la tension de vapeur du mélange par pondération des tensions de vapeur des constituants présents. b - Loi de Raoult Cette loi permet de calculer la participation de chaque constituant à la tension de vapeur globale du mélange liquide, participation souvent appelée tension de vapeur partielle du constituant. Elle est obtenue en multipliant la tension de vapeur propre du constituant par sa fraction molaire dans le liquide.

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C 2 -1/B

13

Ainsi dans l'expérience précédente, si l'on appelle : la fraction molaire du propane dans le liquide

xC

3

x C3 =

20

soit

TV C

la tension de vapeur du propane à 20°C

x nC

la fraction molaire du n-butane dans le liquide

3

4

x C4 = 20

TV nC

% mol

soit

% mol

la tension de vapeur du n-butane à 20°C

4

on aura : 20

TV partielle du propane = TV C • xC 3 3

=

•

=

atm

TV partielle du n-butane = TVnC • xnC = 4 4

•

=

atm

20

La tension de vapeur du mélange est alors calculée en ajoutant les différentes tensions de vapeur partielles. Ainsi pour l'exemple la loi de Raoult s’écrit 20°C

20

20

TV mélange = TVC • xC + TVnC • xnC 3 4 3 4 soit

20°C TV mélange =

+

=

atm

La pression régnant dans le ballon est la tension de vapeur du mélange liquide et les tensions de vapeur partielles sont les pressions partielles de chaque constituant en phase gazeuse.

02150_A_F

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C 2 -1/B

14

La loi de Dalton permet à partir des pressions partielles et de la pression totale de déterminer la composition de la phase gazeuse. La fraction molaire d’un constituant est en effet obtenue en divisant sa pression partielle par la pression totale. Elle n’est toutefois valable que pour les mélanges d'alcanes de même famille chimique. -

pour le propane y C3 =

-

PPC3 = P

=

soit

%

=

soit

%

pour le butane y C4 =

PPC4 = P

La phase gazeuse apparaît ainsi plus riche en propane que la phase liquide. La loi de Raoult peut bien sûr être généralisée si le liquide contient plus de deux constituants. Il suffit de calculer les tensions de vapeur partielles de chaque constituant et d'en faire la somme pour obtenir la tension de vapeur du mélange. Elle n’est toutefois valable que pour les mélanges d'alcanes de même famille chimique.

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉQUILIBRES LIQUIDE-VAPEUR DANGERS LIÉS AU COMPORTEMENT DES FLUIDES Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C2

-2

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_D_F - Rév. 1

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04/04/2005

1

I-

C 2 -2

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_D_F

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2

C 2 -2

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

00549_D_F

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3

C 2 -2

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-

C 2 -2

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

00549_D_F

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D CH 3001 A

(F - 1) V1

5

II -

C 2 -2

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_D_F

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105°C

D SEC 012 A

bar rel

6

C 2 -2

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_D_F

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7

C 2 -2

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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C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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

00549_D_F

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D MTE 1041 B

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

C 2 -2

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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C 2 -2

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_D_F

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D SEC 3000 A

Ondes de chaleur

Fractions légères distillantes Fractions légères remontant

C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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Température

D TH 008 B

2

C 2 -2

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.

00549_D_F

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18

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_D_F

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C 2 -2

C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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400

D SEC 032 A

2

- 10 érie F

C 2 -2

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_D_F

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C 2 -2

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_D_F

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-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_D_F

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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

C 2 -2

C 2 -2

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_D_F

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350

400

D TH 018 E

0,2

00549_D_F

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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

C 2 -2

C 2 -2

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_D_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

COMPORTEMENT DES GAZ COMPORTEMENT DES GAZ PARFAITS ET DES GAZ RÉELS

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C3

I - DOMAINE D’EXISTENCE D’UN CORPS PUR À L’ÉTAT GAZEUX ......................................... 1 II - LOI DES GAZ PARFAITS ......................................................................................................... 3 1 - Expression de la loi.............................................................................................................................3 2 - Volume molaire des gaz parfaits Vm .................................................................................................. 3 3 - Masse volumique d’un gaz parfait ...................................................................................................... 4 4 - Passage débit masse - débit volume.................................................................................................. 5 5 - Correction des débits volumes ...........................................................................................................5

III - MÉLANGES DES GAZ PARFAITS - PRESSIONS PARTIELLES ............................................ 7 IV - COMPORTEMENT DES GAZ RÉELS .................................................................................... 11 1 - Définition du facteur de compressibilité............................................................................................ 11 2 - Utilisation du facteur de compressibilité ...........................................................................................12

V - COMPORTEMENT DES GAZ À LA COMPRESSION ET À LA DÉTENTE ............................ 13 1 - Évolution isentropique d'un gaz parfait .............................................................................................13 2 - Évolution isentropique d'un gaz réel .................................................................................................16 3 - Évolution réelle d'un gaz parfait .......................................................................................................16 4 - Évolution réelle d'un gaz réel ...........................................................................................................17

En annexe : Planche 1 : Quantité d’eau dans l’air Planche 2 : Valeur de k pour les hydrocarbures gazeux considérés parfaits Planche 3 : Valeur de k pour quelques gaz considérés parfaits Planche 4 : Détermination du coefficient polytropique η Planche 5 : Estimtion du rendement polytropique d'un compresseur centrifuge Planche 6 : Estimation du rendement global des compresseurs alternatifs

MA PHY - 02151_A_F - Rév. 2

Ce document comporte 24 pages

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03/08/2005

-1

C 3 -1

1

I-

DOMAINE D’EXISTENCE D’UN CORPS PUR À L’ÉTAT GAZEUX La courbe de vaporisation indique en fonction de la température et de la pression, les conditions d’existence d’un corps pur à l’état gazeux.

Vaporisation impossible

Pression

PC

Point critique

Pression critique du corps pur

C

teb°

t fixée

VAPEUR SURCHAUFFÉE

teb sous P

TC

GAZ PERMANENT D TH 013 C

1 atm.

ID

Température d'ébullition normale

U LI Q

Température critique du corps pur

Tension de vapeur à t

E

TVt

SA TU

RÉ

P fixée

Température d'ébullition sous P

VAP

EU

LIQUIDE SOUS-REFROIDI

Condensation impossible

RS ATU RÉE

Courbe de tension de vapeur

Température

• Si la température est inférieure à la température critique on voit que la condition d’existence à l’état vapeur est que la pression soit inférieure à la tension de vapeur du corps pur. Si la pression est égale à la tension de vapeur, on a affaire à une vapeur saturée qui est à la limite de la condensation. • Si la température est supérieure à la température critique le gaz est incondensable quelle que soit la pression. On dit que l’on a affaire à un gaz permanent. C’est le cas, par exemple, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote (et donc de l’air) à température ambiante.

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2

C 3 -1

On sait que les gaz et vapeurs sont constitués de molécules qui peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres et qui sont soumises à une agitation permanente. Cette structure particulière confère aux gaz et vapeurs des propriétés communes comme celles d'être compressibles et expansibles. Leur comportement est essentiellement caractérisé par 4 facteurs -

la quantité de gaz, c’est-à-dire le nombre de moles de gaz (n) le volume occupé par le gaz (V) la pression exercée par le gaz (P) la température du gaz (T)

et ne dépend, en première approximation que de la nature du gaz. Il en résulte qu’une loi unique est capable de représenter le comportement de tous les gaz. Cette loi appelée loi des gaz parfaits ne représente en fait que de manière approchée le comportement des gaz réels mais elle en donne toutefois une bonne approximation. Sa précision est d'autant meilleure que la pression est faible et que la température est élevée. C’est-à-dire quand les gaz réels se rapprochent des gaz parfaits.

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3

II -

LOI DES GAZ PARFAITS 1-

EXPRESSION DE LA LOI La loi des gaz parfaits ou loi d’AVOGADRO s’écrit : P . V = n . R . T P V n T R

pression absolue exercée par le gaz volume occupé par le gaz ou débit volume des gaz quantité de gaz exprimée en nombre de moles ou en débit molaire température absolue du gaz Constante des gaz parfaits dont la valeur dépend des unités choisies

Les unités les plus utilisées et les valeurs de R correspondantes sont données dans le tableau cidessous. P

Bar

Atm

kgf/cm 2

PSI

V

m 3 ou m3/h

m 3 ou m3/h

m 3 ou m3/h

Ft3 ou Ft3/h

n

kmol ou kmol/h

kmol ou kmol/h

kmol ou kmol/h

kmol ou kmol/h

T

K

K

K

K

R

0,08314

0,08205

0,084478

10,73

Cette loi, bien qu’approchée, permet un certain nombre de calculs simples dont la précision est limitée mais souvent suffisante pour représenter approximativement le comportement des gaz réels.. A partir de la loi énoncée ci-dessus, il est intéressant de faire apparaître les formules pratiques suivantes.

2-

VOLUME MOLAIRE DES GAZ PARFAITS Vm C’est le volume d’une mole ou d’une kmole de gaz parfait. En prenant n = 1 kmole dans la formule précédente, le volume molaire Vm est donné par :

Vm =

R . T P

Vm T P R

en m3/kmol en K en bar.abs = 0,08314

Application Volume molaire du gaz parfait dans les conditions normales t = 0°C soit et

T = 273,15 K P = 1 atm.a = 1,013 bar.a Vm =

=

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m 3/kmol

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4

3-

MASSE VOLUMIQUE D’UN GAZ PARFAIT La masse volumique d’un gaz quelconque de masse molaire M (en kg/kmol) est donnée par la relation : masse molaire M = volume molaire Vm

masse volumique ρ =

M en kg/kmol Vm en m3/kmol

S’il s’agit d’un gaz parfait on obtient : ρ M P T R

P• M

ρ= R•T

en kg/m3 en kg/kmol en bar.abs en K = 0,08314

Application Masse volumique de l’air à 0°C et 1 atm (Mair = 29 kg/kmol) P= T= R=

bar K

ρ=

=

kg/m 3

Parallèlement, la densité d’un gaz parfait par rapport à l’air (d gaz ) peut être obtenue par l’expression : dgaz =

ρgaz Mgaz = M air ρair

L’air, composé essentiellement d’azote (M = 28) et d’oxygène (M = 32), a une masse molaire Mair = 29 kg/kmol. On obtient donc : dgaz =

M gaz 29

M gaz en kg/kmol

Application Densité du propane par rapport à l’air

M propane =

d=

kg/kmol

=

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5

4-

PASSAGE DÉBIT MASSE - DÉBIT VOLUME Dans un procédé fonctionnant en régime permanent, les débits masse et volume d’un fluide sont liés par l’expression suivante déjà rencontrée : Qm Qv ρ

Qm = ρ . Qv

débit masse kg/h débit volume m3/h masse volumique kg/m3

M.P ; M étant la masse molaire du gaz et P, T les conditions de R.T l’écoulement ; le débit volume Qv est alors obtenu à partir du débit masse Qm par la relation :

Si le fluide est un gaz parfait : ρ =

Qv = Q m .

en m3/h en kg/h en K en bar.a en kg/kmol = 0,08314

Qv Qm T P M R

R.T M.P

Application Calcul d’un débit volume d’air (M = 29 kg/kmol) °C 7

bar.g t/h

D TH 1557 A

2

Qm T P M Qv

= = = = =

kg/h K bar.a kg/kmol

Qv

=

m 3/h

120

5-

CORRECTION DES DÉBITS VOLUMES A débit masse constant et pour un gaz parfait donné, la relation précédente montre que si les Qv . P reste constante. conditions de température et de pression changent, l’expression T Pour des conditions repérées 1 et 2 on a donc :

Qv1 . P 1 Qv2 . P 2 = T1 T2

soit

Qv2 = Qv1 .

T2 P1 . T 1 P2

Cette expression est souvent utilisée pour exprimer des débits volume gazeux dans des conditions standardisées.

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6

On définit ainsi les conditions normales : conditions normales

t = 0°C (273 K)

P = 1 atm.a = 1,013 bar.a

auxquelles correspondent des débits exprimés en normaux mètres cubes par heure (Nm 3/h). En appelant QvCN le débit volume de gaz parfait dans les conditions normales on a :

QvCN = Qv .

Qv T P

en m3/h en K en bar.a

273 P . T 1,013

QvCN

ou

Qv = QvCN .

T 1,013 . 273 P

en Nm 3/h

En pratique, les débits volumes de gaz sont souvent exprimés dans des conditions un peu différentes des conditions normales. On définit ainsi les conditions standards : P = 1 atm et t = 60°F étant les conditions les plus habituellement reconnues internationalement. Pour des raisons de convenance, on utilise souvent en France P = 1 atm et t = 15°C, soit des valeurs très voisines des précédentes puisque 60°F = 15,6°C. Ces différentes définitions peuvent être la cause de confusions et il est toujours préférable de préciser les conditions exactes dans lesquelles un débit volume de gaz est donné. Application Que vaut le débit volume d’air précédent dans les conditions normales ? Qv T P

= = =

m 3/h K bar.a QvCN =

Nm3/h

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7

III - MÉLANGES DES GAZ PARFAITS - PRESSIONS PARTIELLES Si on considère un mélange gazeux se trouvant dans des conditions déterminées et exerçant une pression totale P, il est souvent intéressant de connaître les participations de chaque constituant du mélange gazeux à cette pression totale. La part de pression exercée par un constituant est appelée sa pression partielle (pp). Elle est définie comme étant la pression exercée par ce constituant s’il occupait seul le volume du mélange. Dans le schéma ci-dessous on a représenté un écoulement d’un mélange gazeux contenant 3 composants repérés 1 - 2 et 3 . La pression exercée par le mélange est P, la température est T.

P T

x

x

x x

x

x x

• molécules du corps

x

x

x x x x

x

x x

x x

x

x x x

x

D TH 087 A

x

Qv

x

1 , débit molaire n1

x molécules du corps

2 , débit molaire n2

o molécules du corps

3 , débit molaire n3

P est la pression totale qui se partage en : •

pp1 est la pression partielle du constituant

•

pp2 et pp3 pressions partielles des constituants 2 et 3

1

Si on suppose que seul le constituant 1 circule dans la tuyauterie pour un débit volume V égal à celui du mélange, la pression exercée est pp1 et le débit molaire n1. On peut alors appliquer la loi des gaz parfaits au corps 1 . pp1 . V = n1 . R . T De même pour les corps 2 et 3 pp2 . V = n2 . R . T pp3 . V = n3 . R . T En faisant la somme de ces trois équations on obtient : (pp1 + pp2 + pp3) . V = (n1 + n2 + n3) . R .T

(1)

Parallèlement, la loi des gaz parfaits peut s’appliquer au mélange gazeux qui exerce la pression P et dont le débit molaire est N = n 1 + n2 + n3 La loi s’écrit :

P.V

=N.R.T

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(2)

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8

En comparant les relations (1) et (2) on voit que P = pp1 + pp2 + pp3 La pression totale P exercée par le mélange gazeux est égale à la somme des pressions partielles de chacun des constituants du mélange. Parallèlement, l’écriture des deux relations appliquées à l’un des constituant et au mélange pp1 . V = n1 . R . T P.V=N.R.T permet en faisant le rapport d’aboutir à : pp1 n1 = P N PP1 n1 est la fraction molaire y1 du constituant 1 dans le mélange soit : = y1 N P Pour les 3 constituants on a donc

pp1 = y1 ou pp1 = P . y1 P pp2 = y2 ou pp2 = P . y2 P pp3 = y3 ou pp3 = P . y3 P

soit pression partielle d'un constituant (pp) = pression totale (P) • fraction molaire du constituant (y) ou

pp = P • y

P et pp sont exprimées avec la même unité de pression

Ces relations connues sous le nom de loi de Dalton permettent d'accéder à la pression partielle d’un constituant d’un mélange de gaz parfaits en connaissant : - la pression totale supportée par le mélange qui est généralement facilement accessible - la fraction molaire du constituant considéré dans le mélange. Pour les gaz parfaits, la fraction molaire (ymol) d’un constituant est égale à la concentration en volume (y vol). y vol = ymol

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9

Si on dispose de la concentration massique (ymasse) une conversion par la formule suivante est nécessaire : – M y mol . = ymasse . Mi M i est la masse molaire du constituant i – M est la masse molaire moyenne du mélange gazeux Applications • L’ “Inergen” (nom commercial) est un gaz extincteur inerte contenant du gaz carbonique, de l’argon et de l’azote. Compléter le tableau ci-dessous. Composant

% vol.

M g/mol

CO 2

8

44

Argon

40

39,5

Azote

52

28

—

100

—

% mol

% poids

• Dans l’air ambiant saturé en vapeur d’eau à la température de 25°C, la pression partielle de vapeur d’eau est égale à la tension de vapeur de l’eau à 25°C. Dans ces conditions, déterminer la teneur de l’air en vapeur d’eau 25°C TV eau

=

PPeau

=

atm.a

Patm

=

atm.a

y eau (molaire)

=

=

soit

:

% vol. ou mol

y eau (masse)

=

soit

:

0,03

atm.a

•

=

kg eau/kg air

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10

or ρair

=

kg/m 3 à 25°C et 1 atm.a kg eau/m 3 air

Teneur de l'air en vapeur d'eau = Vérifier ce résultat sur l’abaque joint planche n°1.

• Un compresseur aspire 2000 m3/h d’air à 25°C et 60 % d’humidité.

Patm

7 bar.g

D T 308 C

2000 m3/h

Quelle quantité totale d’eau doit être purgée après réfrigérations si le réseau d’air est à 7 bar.g et 20°C ?

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11

IV - COMPORTEMENT DES GAZ RÉELS 1-

DÉFINITION DU FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ On constate que le comportement des gaz réels diffère parfois de manière importante de celui des gaz parfaits. Cette différence de comportement est souvent caractérisée par l’écart existant entre - le volume Vgp occupé par une quantité donnée de gaz parfait (n kmoles) dans des conditions fixées de température et de pression (T et P) - le volume V occupé par la même quantité (n kmoles) de gaz réel dans les mêmes conditions On s’intéresse généralement au rapport de ces deux volumes qu’on note Z et qu’on appelle facteur de compressibilité du gaz réel. Facteur de compressibilité

Z =

V Vgp

V Vgp

volume du gaz réel volume du gaz parfait

On voit ainsi que si Z = 1 le gaz réel occupe le même volume que le gaz parfait. Si Z est inférieur à 1, ce qui est souvent le cas, le volume du gaz réel est inférieur au volume du gaz parfait. L’expression de définition du facteur de compressibilité peut être modifiée en explicitant la valeur du volume du gaz parfait à partir de la loi des gaz parfaits : Vgp = soit Z=

n.R.T P

P.V V = n.R.T n.R.T P

ce qui conduit à la “loi des gaz réels” P.V = Z.n.R.T P V Z n R T

pression absolue exercée par le gaz réel volume du gaz réel ou débit volume du gaz réel facteur de compressibilité du gaz réel quantité de gaz en nombre de moles ou en débit molaire constante des gaz parfaits température absolue du gaz

Les unités sont les mêmes que celles qui interviennent dans la loi des gaz parfaits, Z étant un nombre sans dimension. L’application de cette loi est donc simple si l’on connaît la valeur de Z. Différentes méthodes numériques ou graphiques permettent d’obtenir les valeurs de Z dans les conditions de pression et de température opératoires.

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12

2-

UTILISATION DU FACTEUR DE COMPRESSIBILITÉ L’introduction de Z dans les relations écrites pour le gaz parfait conduit aux expressions suivantes : R•T P

- volume molaire d’un gaz réel

Vm = Z

- masse volumique d’un gaz réel

ρ= Z•R•T

M•P

- relation débit masse - débit volume pour un gaz réel

Qv =

Qm

ρ

Qv = Q m •

soit

Z•R•T M•P

- Correction des débit volumes des gaz réels

P • Qv = cte Z•T

soit

Z 2 T2 P1 QV2 = QV1 • • • Z 1 T 1 P2

avec Z1, Z2 facteurs de compressibilité dans les conditions 1 et 2.

02151_A_F

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C 3 -1

13

V-

COMPORTEMENT DES GAZ À LA COMPRESSION ET À LA DÉTENTE 1-

ÉVOLUTION ISENTROPIQUE D'UN GAZ PARFAIT a - Loi d'évolution - Coefficient isentropique L'évolution d'un gaz parfait lors de la compression ou de la détente est dite isentropique lorsque : -

il n'y a pas dégradation d'énergie par frottements (réversibilité de transformation d'énergie) il n'y a pas d'échange de chaleur avec l'extérieur (transformation adiabatique)

P0

P1

P2

TAV

Compressseur

D T 697 C

Pipeline

D T 1420 B

Échappement

Recompression de gaz naturel sur un pipeline Admission

Détente dans une turbine à vapeur

Cette évolution idéale d'un gaz parfait est représentée par la loi : P • Vk = constante P V k

est la pression est le volume du gaz est l'exposant ou coefficient isentropique caractéristique du gaz avec

k =

CP CP = R CV CP – M

C P en kcal/kg.K R = 1,987 M en kg/mol

C P en kJ/kg°C R = 8,314

Les valeurs de k peuvent donc être obtenues à partir des données de CP mais en pratique, elles sont accessibles graphiquement pour un certain nombre de corps purs grâce aux planches 2 et 3 qui donnent k en fonction de la température. L'utilisation de ces planches exige d'adopter une température moyenne de l'évolution.

02151_A_F

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C 3 -1

14

b - Température en fin d'évolution isentropique PV De l’hypothèse P. Vk = cte et de la loi des gaz parfaits  = cte il résulte que la température T2is T en fin d'évolution isentropique est donnée par la relation :

 

P2 2 T is = T1    

( ) k-1 k

 P1

T 2, T 1 P2, P1 k

en Kelvin en bars.abs coefficient isentropique

Elle dépend : P2 Pabsolue finale = =τ P1 Pabsolue initiale appelé taux de compression ou de détente - de la température absolue initiale T1 - de la nature du gaz caractérisé par son coefficient k -

du rapport

Applications COMPRESSION DE L'AIR • Compression en un seul étage

Pression (bar.g) Température (°C)

Taux de compression

τ=

Coefficient isentropique

k = 1,4

=

k-1 = k

02151_A_F

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D T 047 H

Supposons que l'on veuille comprimer en une seule fois de l'air pris à l'atmosphère pour alimenter un réseau à 7 bar relatifs.

C 3 -1

15

Si la température d'aspiration est de 20°C la température de refoulement pour une évolution isentropique est de : 2 T is

= (20 + 273) τ( ) k-1 k

= = 2

T is

=

°C

• Fractionnement de la compression Cette température est trop élevée (l'API recommande de considérer que 149°C est une température de refoulement maximale pour un compresseur alternatif) et la compression devra être réalisée en deux étages avec réfrigération intermédiaire.

Température (°C)

D T 047 G

Pression (bar.g)

Supposons que les deux étages aient le même taux de compression. Le taux de compression par étage est τ’ = Calculer la température de refoulement de chaque étage.

t ref is =

°C

02151_A_F

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16

2-

C 3 -1

ÉVOLUTION ISENTROPIQUE D'UN GAZ RÉEL La loi devient : k–1 Z1  P2 T 2 = T1 x x   k Z 2 P1 T 2, T 1 en k P2, P1 en bar abs k coefficient isentropique

3-

ÉVOLUTION RÉELLE D'UN GAZ PARFAIT Lors de la compression ou de la détente dans les machines, les hypothèses prises en compte pour l'évolution isentropique (pas d'échange avec l'extérieur, pas de pertes internes à la machine par frottement) ne sont pas vérifiées. L'évolution réelle doit en effet tenir compte : -

d'un échange de chaleur avec l'extérieur soit par refroidissement, soit par réchauffage On peut cependant considérer cet échange comme négligeable sur les compresseurs centrifuges ou turbines à vapeur. Pour les compresseurs alternatifs cet échange ne peut pas être négligé puisqu'ils sont en général refroidis

-

des pertes internes : • frottements aérodynamiques dus aux imperfections des surfaces de la machine et à la viscosité du gaz • pertes par choc du gaz contre les parois de la machine et décollements divers dont l'origine est le tracé plus ou moins bien adapté des profils aérodynamiques au trajet réel du gaz • pertes de charge localisées • réchauffage dû aux fuites internes rendues inévitables par les jeux mécaniques nécessaires entre pièces fixes et mobiles Ces fuites vont d'un étage haute pression et haute température vers un étage basse pression et plus basse température.

On a donc : T 2 réelle > T2 isentropique

02151_A_F

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C 3 -1

17

Pour pouvoir calculer cette température réelle, on définit une évolution polytropique fictive qui serait régie par les mêmes lois que l'évolution isentropique. Dans cette évolution, l’exposant polytropique n remplace k ce qui permet de calculer la température de refoulement réelle par la formule :

 P2 T 2 (réelle) = T1   P   1

( ) n-1 n

n ne dépend plus seulement de la nature du gaz, il dépend également des imperfections de la machine (et donc de son rendement) qui provoquent un échauffement plus ou moins important. La planche n°4 en annexe donne les correspondances entre k, n en fonction du rendement polytropique de la machine.

4-

ÉVOLUTION RÉELLE D'UN GAZ RÉEL Z1  P2 T 2 (réelle) = T1 x x Z 2  P1

( ) n–1 n

L’estimation du rendement polytropique d’un compresseur centrifuge est donné sur la planche n°5 en annexe.

02151_A_F

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0

02151_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

60%

80%

20 30 Température de l'air en °C

40

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

0,022

0,024

0,026

0,028

0

0

2

10°

C

20°

C

4

°C

6 8 10 Pression de l'air comprimé en atm relatif

30° C

40° C

50

Quantité d'eau sous forme de vapeur dans l'air saturé d'humidité à P et T par m3 d'air aspiré.

12

QUANTITÉ D’EAU DANS L’AIR

10

Quantité d'eau dans l'air atmosphérique en fonction de son degré d'humidité (ou degré de saturation) et de la température par m3 aspiré.

D e gré de

sat ura t i o n 10 0%

kg/m3

18

C 3 -1

— Planche n°1 —

D PPC 039 A

40 %

C 3 -1

19

VALEUR DE K POUR QUELQUES GAZ CONSIDÉRÉS PARFAITS — D'après API technical data book —

100

SO2

CO2

l2 NH3 et C

H2O (vapeur) H2 S

O2

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1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

-50

-50

k = CP/Cv 02151_A_F

D TH 1001 A

0

0

R 134 a

R 22

50

50

H2

100

Air CO N2

Température (°C)

150

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

150

1.4

— Planche n°2 —

k = CP/Cv

D TH 1002 A

0

0

50

50

ne

e

02151_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training n P e n ta n e n H exane

n B u ta n e

B enzène

P ro p a n e

P r o p yl è n

É th a n e

É th yl è

Métha

ne

100

100

150

150

Température (°C)

1.0 200

1.1

1.2

1.3

200

VALEUR DE K POUR LES HYDROCARBURES GAZEUX CONSIDÉRÉS PARFAITS — D'après API technical data book —

1.0 -50

1.1

1.2

1.3

-50

20

C 3 -1

— Planche n°3 —

02151_A_F

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1,0 1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

Coefficient polytropique n

D TH 1000 A

1,1

1,2

0 0,7

1,3

0,7

5 0,8

0

5 0,8

1,4

0 0,9

1

Valeur de k = CP/Cv 1,5

Rendement polytropique ηp

5 0,9

21

C 3 -1

DÉTERMINATION DU COEFFICIENT POLYTROPIQUE — Planche n°4 —

0,6 5

0,6 0

02151_A_F

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0,10 0

5000

10000

15000

D TH 1179 A

20000 25000 Débit volume aspiré (m3/h)

Nota : le rendement polytropique obtenu par ce graphique est une valeur moyenne estimée d'après diverses données constructeurs

ESTIMATION DU RENDEMENT POLYTROPIQUE D’UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

22

C 3 -1

— Planche n°5 —

Rendement polytropique

C 3 -1

23

— Planche n°6 —

ESTIMATION DU RENDEMENT GLOBAL DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS

Rendement global par rapport à l'isentropique (%)

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

70

80

90

100

1

2

3

4

Nota : Ce graphique représente une moyenne entre divers résultats publiés dans la littérature

5

Taux de compression

6

D TH 1178 A

02151_A_F

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉCOULEMENT DES FLUIDES CARACTÉRISTIQUES DES ÉCOULEMENTS DE FLUIDES NON VISQUEUX

C4

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - VITESSE MOYENNE DANS UNE CONDUITE .............................................................................. 1 II - BILAN D’ÉNERGIE DANS L’ÉCOULEMENT DE FLUIDES NON VISQUEUX............................... 3 1234567-

Différentes formes d’énergie ............................................................................................................ 3 Expression des différentes formes d’énergie dans les unités les plus utilisées ............................... 4 Loi de conservation d'énergie .......................................................................................................... 7 Transformation d’une forme d’énergie en une autre ........................................................................ 8 Pression statique et pression totale - Mesure du débit .................................................................. 12 Risques de vaporisation dans les écoulements de liquide............................................................. 16 Vitesse du son dans les écoulements gazeux ............................................................................... 20

BA FLU - 00208_B_F - Rév. 2

Ce document comporte 23 pages „ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

25/03/2005

-1

1

I-

C 4 -1

VITESSE MOYENNE DANS UNE CONDUITE Lorsqu’un débit volumique Q v est établi dans une conduite de section S, le fluide se déplace à une certaine vitesse. Cette vitesse u correspond à la vitesse moyenne des particules du liquide et est définie par le rapport suivant : Vitesse moyenne u =

débit volumique Qv section de passage S

Pour une section circulaire de diamètre D, la section de passage est donnée par : S=

π D2 4

Les sections de passage dans les tubes (normes françaises et standard ANSI) sont données dans les planches L1. En conséquence, l’expression de la vitesse moyenne en fonction du débit volumique et du diamètre est

4 Qv Vitesse moyenne u = . 2 π D

u Qv D

vitesse moyenne en m/s débit volumique en m3/s diamètre intérieur en m

On exprime généralement Qv en m 3/h ce qui conduit à la formule pratique suivante :

Vitesse moyenne u = 3,54 .

Qv D2

u Qv D

en m/s en m3/h en cm

La dimension des tuyauteries industrielles est choisie pour que la vitesse ne soit pas trop élevée afin de limiter les pertes de charge : -

pour les liquides elles se situent généralement dans la gamme 1 à 4 m/s (3,6 à 14,4 km/h) pour les gaz et vapeur on est plus souvent dans la fourchette 10 à 40 m/s (36 à 144 km/h)

Pour un débit masse constant, la vitesse moyenne d’un liquide dans une conduite peut varier pour différentes raisons, notamment : -

lorsque le débit volumique varie sous l’effet de la température (alors que la section reste constante)

-

lorsque la section varie (alors que la température reste constante : écoulement isotherme)

00208_B_F

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2

C 4 -1

Application Quelle est la vitesse moyenne qui correspond à un débit de brut de 1000 m 3/h dans une tuyauterie de 16" (DN 400 ep 7.9) ? Et dans une tuyauterie de 20" (DN 500 ep 9.52) ?

D ext = 16" =

40,6 cm

D ext = 20" =

Di =

Di =

QV u = 3.537 2 D

QV u = 3.537 2 D

= 3.537 u =

(

)2

= 3.537

m/s

u =

(

50,8 cm

)2 m/s

00208_B_F

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3

II -

C 4 -1

BILAN D’ÉNERGIE DANS L’ÉCOULEMENT DE FLUIDES NON VISQUEUX Les écoulements étudiés sont ceux rencontrés dans les industries de procédé utilisant des conduites circulaires pour véhiculer des liquides ou des gaz en débit stabilisé. Les écoulements diphasiques, les débits pulsés ou transitoires ne sont pas étudiés dans ce document. Les fluides réels sont tous visqueux mais pour faciliter l’analyse des écoulements il est intéressant de regarder dans un premier temps les lois qui régissent l’écoulement de fluides parfaits non visqueux et à température constante. Dans ce cadre on peut dire qu’un fluide en mouvement et sous pression possède différentes formes d’énergie : -

1-

l’énergie de vitesse ou énergie cinétique l’énergie de pression l’énergie due à son altitude ou énergie potentielle

DIFFÉRENTES FORMES D’ÉNERGIE a - Énergie potentielle L’énergie potentielle est liée à l’altitude, c’est-à-dire à la hauteur par rapport à un niveau de référence qui peut être par exemple le niveau du sol ou l’axe d’une machine. L’énergie potentielle du liquide dans une conduite située à une hauteur h au-dessus de la référence représente le travail W qu’il faut fournir pour l’élever jusqu’à cette hauteur. W = PL . h = m . g . h W PL h m g

travail d’élévation en J poids de liquide en N hauteur en m masse de liquide en kg accélération de la pesanteur en m/s2

L’énergie potentielle Ea est exprimée par unité de masse de liquide, soit : Ea = W m

Ea h g=

Énergie potentielle Ea = h . g

en J/kg en m 9,81 m/s 2

La hauteur de fluide représente à une constante près son énergie potentielle.

h1 h3 D T 378 A

h2

Sur un tracé de ligne tel que celui représenté ci-contre, l’énergie potentielle comptée par rapport au sol prend trois valeurs différentes. Elle est nulle quand la tuyauterie est au sol.

00208_B_F

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4

C 4 -1

b - Énergie de pression La loi de l’hydrostatique donne la relation suivante : P = ρgh P en Pascal (Pa) g = 9,81 m/s2 h en mètre (m) ρ en kg/m 3 Sachant que “gh” représente l’énergie potentielle correspondant à la pression P pour une masse volumique ρ, on peut écrire :

EP =

P ρ

E P = énergie de pression en J/kg P en Pascal ρ en kg/m 3

c - Énergie cinétique L’énergie cinétique d’une masse m se déplaçant à la vitesse v est égale à : 1 m v2 2

Ramenée à 1 kg de fluide, l’énergie cinétique vaut : v2

Ec = 2 E c : énergie cinétique J/kg v : vitesse en m/s

2-

EXPRESSION DES DIFFÉRENTES FORMES D’ÉNERGIE DANS LES UNITÉS LES PLUS UTILISÉES Le bar est l’unité utilisée sur site et la hauteur de liquide représente pratiquement toujours l’énergie dans les calculs hydrauliques. Il est donc intéressant de pouvoir exprimer les différentes formes d’énergie dans ces unités. La relation entre hauteur (en m) et pression (en bar) peut s’écrire de la façon suivante :

P =

h.d 10,2

P : pression en bar d : densité h : hauteur en m

00208_B_F

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5

C 4 -1

À partir de cette relation on peut exprimer les différentes formes d’énergie dans diverses unités.

EXPRESSION DES DIFFÉRENTES FORMES D’ÉNERGIE Unité d’énergie J/kg

Hauteur de liquide m

Unité de pression bar

Unité de pression Pa

Énergie potentielle E a

h ag

ha

ha x d 10,2

ρ g ha

Énergie cinétique Ec

u2 2

u2 2g

hc x d u 2d = 10,2 200

ρ 2

Énergie de pression Ep

P (Pa)

P (Pa) P (bar) x 10,2 = d ρg

P (bar)

P (Pa)

ρ

u2

L’utilisation du Pascal comme unité d’énergie en hydraulique est peu courante. Son intérêt réside dans la possibilité d’intégration dans les formules exprimées en unités normalisées (SI). L’unité généralement utilisée dans les calculs hydrauliques est le mètre de liquide. Par contre, sur site, le bar est généralement l’unité utilisée sur les manomètres. L’unité d’énergie J/kg ou kJ/kg est intéressante lorsqu’on doit calculer la puissance fournie au fluide.

Puissance = Travail x débit masse ↓

↓

↓

kW

kJ/kg

kg/s

00208_B_F

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6

C 4 -1

Application Un liquide s'écoule dans les conditions suivantes : débit QV

=

84,8 m 3/h

densité d

=

0,804

pression

=

3 bar abs.

Ø tuyauterie

=

10 cm (inférieur)

Hauteur

=

4 m au-dessus du sol

Calculer la vitesse moyenne de circulation

u =

m/s

Déterminer les différentes formes d'énergie possédées par le fluide.

Unité d'énergie (J/kg)

Hauteur de liquide (m)

Énergie potentielle Énergie cinétique Énergie de pression

00208_B_F

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Unité de pression (bar)

7

3-

C 4 -1

LOI DE CONSERVATION D’ÉNERGIE Les trois formes d’énergie : énergie d’altitude, énergie cinétique et énergie de pression constituent pour le fluide l’énergie totale liée à l’écoulement. Cette dernière exclut bien entendu l’énergie thermique du fluide qui varie dans les échangeurs, réfrigérants, fours, etc., en fonction de la température et de l’état physique du fluide. Cette énergie totale liée à l’écoulement est souvent appelée charge totale. CHARGE TOTALE = Ea + Ec + Ep Lors de l’écoulement de fluides non visqueux encore appelés fluides parfaits pour lesquels il n’apparaît pas de dégradation d’énergie due aux tourbillons et frottements, la charge totale se conserve au cours de l’écoulement. Cela exprime en fait le principe de conservation de l’énergie appliqué aux écoulements de fluide qui est connu sous l’appellation loi de Bernoulli.

CHARGE TOTALE = Ea + Ec + Ep = Cte

Ea : énergie potentielle Ec : énergie cinétique Ep : énergie de pression

Cette loi n'est valable que lorsque la température du liquide dans la ligne est constante. Dans le cas contraire on applique cette loi sur des tronçons de ligne à température constante. Appliquée en deux points ➀ et ➁ d’un écoulement l’expression précédente devient :

2

charge totale en ➀

=

charge totale en ➁

soit Ea➀+ Ec➀ + Ep➀ = Ea➁ + Ec➁ + Ep➁ Entre les conditions ➀ et ➁ la charge totale reste constante mais les différentes formes de l’énergie peuvent prendre des valeurs différentes. Cela signifie que des transformations sont possibles entre ces différentes formes d’énergie. On envisage dans ce qui suit et à titre d’exemple, les transformations hauteur-pression et pression-vitesse.

00208_B_F

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D T 379 A

1

8

4-

C 4 -1

TRANSFORMATION D’UNE FORME D’ÉNERGIE EN UNE AUTRE Il est clair qu’à charge totale constante la diminution d’une forme d’énergie entraîne forcément l’augmentation d’une autre. Ainsi chaque forme d’énergie peut être transformée : -

du changement de pression lors de modification de l’énergie potentielle de la variation de la pression lors de modification de la vitesse

a - Transformation hauteur-pression Dans la tuyauterie ci-dessous, on peut comparer les conditions du fluide en deux points de l’écoulement ➀ et ➁. Conditions en ➀

2

hauteur

= h1

vitesse

= u1

Pression

= P1

h h2 Conditions en ➁

1

hauteur

= h2

vitesse = u 2 = u1 (même diamètre, même débit volume)

D T 380 A

h1

Pression

niveau de r f rence Expression des énergies (en J/kg) : Énergie potentielle Ea

Énergie cinétique Ec

Énergie de pression Ep

au point 1

h1 g

2 u1 2

P1

au point 2

h2 g

2 u2 2

P2

différence 2-1

h.g

0

P2 – P1

00208_B_F

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ρ

ρ ρ

= P2

9

C 4 -1

La loi de conservation d’énergie indique que la charge totale est identique aux points ➀ et ➁ charge totale charge totale en ➁ en ➀ = charge totale charge totale = 0 en ➁ – en ➀

soit

En reportant la différence ➁ - ➀ du tableau on a : h.g+

soit

P2 – P1

ρ

=0 P h

P1 – P2 = h . ρ . g

ρ g=

en Pa en m en kg/m3 9,8 m/s 2

On retrouve l’expression de la loi de l’hydrostatique qui exprime les variations au sein d’un fluide au repos. b - Transformation pression-vitesse La transformation d’énergie de pression en énergie cinétique peut être réalisée dans un convergent, la réduction de la section de passage provoquant une augmentation de vitesse.

1 2 D1

D2

P2 P1 Conditions en ➀

Conditions en ➁

hauteur Ø Vitesse Pression

hauteur Ø vitesse Pression

= h1 = D1 = u1 = P1

00208_B_F

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= h 2 = h1 = D2 < D1 = u 2 > u1 = P2

D T 381 A

U2

U1

10

C 4 -1

L’expression des différentes formes d’énergie aux points ➀ et ➁ est la suivante : Énergie d’altitude Ea

Énergie cinétique Ec

Énergie de pression Ep

au point 1

h1 g

2 u1 2

P1

au point 2

h2 g

2 u2 2

P2

0

2 2 1/2 (u2 – u 1)

différence 2-1

ρ

ρ

(

P 2 – P1

ρ

)

soit

ρ

P1, P2

2 2 P1 – P2 = u –u 2 2 1

(

)

ρ

u1, u 2

en Pa en kg/m3 en m/s

Entre le point ➀ et le point ➁ , il y a donc une augmentation de l’énergie cinétique accompagnée par une diminution de l’énergie de pression.

Application Déterminer la pression P2 dans les conditions suivantes

P1 :

3 P2 :

1 m/s

10 m/s

∅ = 50 cm

P2 =

∅ = 15,8 cm

bar

00208_B_F

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Pression (bar rel.)

D T 381 F

Brut (d = 0,85)

?

11

C 4 -1

À l’inverse, il est possible de transformer de l’énergie de vitesse en énergie de pression dans un divergent. Tubulure de refoulement

2 Évent Sens de rotation

Roue

1

Purge

➀

Ralentissement en sortant de la roue pour entrer dans la volute

②

Ralentissement dans “divergent” de sortie

D T 382 A

Volute

Aubes

Le principe de la transformation de l’énergie de vitesse en pression se rencontre par exemple dans la volute d’une pompe centrifuge. Le liquide sortant de l’impulseur à grande vitesse est ralenti et l’énergie cinétique acquise par la rotation est transformée en énergie de pression.

00208_B_F

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le

12

5-

C 4 -1

PRESSION STATIQUE ET PRESSION TOTALE - MESURE DU DÉBIT a - Définition L’énergie cinétique du liquide peut être mise en évidence en plaçant dans une tuyauterie deux manomètres représentés ci-dessous par des tubes remplis de liquide : -

la prise de pression du manomètre ➀ est perpendiculaire à l’écoulement. Ce manomètre mesure l’énergie de pression Ep appelée aussi pression statique. C’est cette mesure que donne un manomètre industriel courant. Dans la mesure où le manomètre est ouvert à l’atmosphère, la hauteur de liquide représente en fait la différence entre la pression statique du liquide et la pression atmosphérique. Il s’agit donc d’une pression statique relative.

-

l’extrémité du manomètre ➁ est courbée de façon à prendre en compte la vitesse d’écoulement. La valeur indiquée est plus grande que la précédente. Elle représente alors l’énergie de pression Ep plus l’énergie cinétique Ec. On dit que ce manomètre indique une pression totale. Comme précédemment, il s’agit ici d’une pression totale relative.

Énergie cinétique

1

2

Pression totale

Ep

D T 383 A

Pression statique

Ec

b - Application : mesure des débits par tube de Pitot La différence des mesures faites par les tubes ➀ et ➁ est représentative de la vitesse d'écoulement et donc du volume. Ce principe est utilisé pour la mesure des débits par tube de Pitot (appelé parfois "Pèse-bouche" quand il est utilisé pour mesurer le débit d'un poteau incendie).

00208_B_F

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13

C 4 -1

Application Les manomètres représentés sur le schéma ci-dessous indiquent respectivement 4,3 bar rel. et 4,5 bar rel.

Ø intérieur

Ptotale

=

10 cm

densité liquide d =

0,854

D TH 1234 A

Pstatique

Déterminer : • l'énergie cinétique en mètre de liquide

hC =

m

• la vitesse moyenne

U =

m /s

• le débit volume

QV =

m 3/h

00208_B_F

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14

C 4 -1

c - Application : mesure des débits par dispositifs déprimogènes Il existe de nombreux appareils qui mesurent des débits. On peut notamment citer les débitmètres à ultrasons, les débitmètres électromagnétiques, les débitmètres à effet Vortex, les débitmètres à dispositif déprimogène. •

Principe de la mesure de débit par dispositif déprimogène

+

+

Tuyère

-

Différentes formes peuvent être données à l’orifice - diaphragme ou plaque à orifice, tuyère, venturi - afin de répondre au mieux à des contraintes de plage d’utilisation, de précision, de coût ou de pertes de charge.

Venturi

-

D T 384 A

+

Le principe consiste à placer dans une conduite un orifice dans lequel la vitesse du fluide est accélérée. La mesure de la chute de pression consécutive à l’augmentation de vitesse permet d’évaluer le débit dans la conduite.

Diaphragme

-

•

Expression du débit mesuré par ces appareils (cas de liquides)

section amont section contractée

u2

u1 D1

D2

2x

– Conservation de la masse

πD2 πd2 Débit massique : QM = . U . ρ = . u . ρ 4 4

d'où la relation :

U =

d2 u D2

00208_B_F

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DP H =ρ mano x g

U u

D T 385 A

Dans l'hypothèse de l'écoulement isotherme et sans frottement d'une veine de fluide incompressible de masse volumique ρ, entre une section amont avant contraction et la section contractée en conservation des débits) on peut écrire :

vitesse : dans la grande section vitesse : dans la petite section

15

C 4 -1

– Conservation de l'énergie (exprimée en unité S.I.) : ρ

donc

U2 u2 + Pamont = ρ + Paval soit 2 2

u =

1

 √

d4 1 – 4 D

√

2 ∆P = E ρ

∆P = ρ

u2 – U 2 u2  d 4  = ρ 1 – 2 2  D4 

 √

2 ∆P ρ

avec

E =

1

 √

d4 1– 4 D

Il en résulte l'expression donnant le débit volumique théorique correspondant :

Qv théorique =

πd2 πd2 u = . E 4 4

 √

(système S.I.)

2 ∆P ρ

et le débit massique théorique : πd2 . E Qm théorique = ρ Qv théorique = 4

 √ 2 ρ ∆P

Le débit ainsi déterminé dépend de la masse volumique donc de la nature du liquide et de sa température. Il faut donc être particulièrement prudent lors de la lecture de débit à la façon dont la masse volumique a été prise en compte. •

Débit réel

Le débit théorique ne tient pas compte de la forme précise des dispositifs déprimogènes telle que l’épaisseur de la plaque, la forme du chanfrein en sortie d’orifice … ni des pertes de charge créées par les frottements sur la plaque. Le débit réel est donc différent du débit théorique mais la standardisation des tailles et formes des plaques permet, dans une plage donnée de débit, de corriger le débit théorique par un coefficient, établi pour chaque plaque. Dans le cas d’équipements non standardisé il est nécessaire de faire un test de la plaque pour déterminer le débit réel en fonction du ∆P appliqué créé par l’équipement.

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16

6-

C 4 -1

RISQUES DE VAPORISATION DANS LES ÉCOULEMENTS DE LIQUIDE Sur le diagramme de tension de vapeur d’un corps pur, l’état liquide est figuré à gauche de la courbe. Si le point ➀ représente les conditions de pression et de température d’un liquide en écoulement, on voit qu’une baisse de pression statique de l’écoulement sans changement de température peut conduire à la vaporisation. Pression

Courbe de tension de vapeur LIQUIDE 1

Température

D T 031 B

VAPEUR

t La chute de pression provoque la vaporisation partielle de ce liquide et donc l’apparition de bulles avec augmentation considérable du volume. L’apparition de ce phénomène peut résulter par exemple d’une mise en vitesse ou d’une élévation en altitude. a - Vaporisation par mise en vitesse Une des causes possibles de baisse de pression statique est l’augmentation d’énergie cinétique. En effet, à hauteur constante : Ea = constante et

Pression totale = Ep + Ec = constante

L’augmentation d’énergie cinétique provoque alors la réduction de l’énergie de pression, donc la diminution de la pression statique. Ce phénomène peut par exemple se rencontrer dans les clapets des robinets-vannes où la section de passage est très réduite, et la vitesse très grande. Un autre phénomène d’apparition de gaz peut se produire dans le cas de dégazage de composés gazeux dissous dans un liquide car la solubilité des gaz diminue avec la pression. D’une façon générale, quand un liquide en écoulement provient d’une capacité où il était en contact avec une phase gazeuse il y a risque de vaporisation si la pression statique supportée par le liquide devient inférieure à la pression où liquide et gaz était en contact.

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17

C 4 -1

Application Dans les conditions du schéma ci-dessous, risque-t-on une vaporisation du liquide après passage du convergent ? Masse volumique du liquide 750 kg/m3

5 bar

Vaporisation ? oui A

1m

U1 = 1 m/s

B

U2 = 8 m/s

00208_B_F

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D SEC 1442 A

non

18

C 4 -1

b - Vaporisation par élévation en altitude Une autre origine possible d’une baisse de pression statique est la montée en altitude du liquide. A énergie cinétique constante (diamètre de tuyauterie constant), une élévation en altitude se traduit par une diminution de pression car : Ep + Ea = constante

Altitude P2

Risque de vaporisation du liquide

h

D T 386 A

Pression dans la tuyauterie

P2 Tension de vapeur du liquide

P1

Pression

Le schéma ci-dessus représente l’évolution de la pression en fonction de l’altitude. Si la pression devient plus faible que la tension de vapeur du liquide avant le point le plus haut de la conduite, le liquide se vaporise et fait un bouchon de vapeur qui empêche l’écoulement normal du fluide.

00208_B_F

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19

C 4 -1

Application Un échangeur situé à 20 m en hauteur est alimenté par de l'eau de tour de réfrigération à 20°C, qui en sort à 40°C, la pression du réseau au refoulement de la pompe est de 6 bar. La pression du réseau d'eau au pied de la structure est de 2,5 bar. La tension de vapeur de l'eau à 40°C est de 0,074 bar absolu. 40 °C

20 °C

40 °C h = 20 m 6 bar

2,5 bar

Pf

D SEC 1443 A

h = 10 m

1.

Quelle est la pression à l'entrée de l'échangeur ?

2.

Quelle est la pression à la sortie si la perte de charge dans l'échangeur est de 0,5 bar à débit normal ?

3.

On veut installer une vanne de régulation dont la perte de charge à débit normal est de 0,7 bar. Où peut-on l'installer ?

00208_B_F

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20

7-

C 4 -1

VITESSE DU SON DANS LES ÉCOULEMENTS GAZEUX a - Description de phénomène Dans tout écoulement le débit masse Qm se conserve et on peut écrire que la section de passage du fluide S doit suivre la relation : S =

Qm ρ.v

ρ : masse volumique v : vitesse du gaz Dans le cas du gaz, la variation d’énergie cinétique est proportionnelle à la baisse d’énergie due à la détente (pression et température). La vitesse et la masse volumique sont par conséquent dépendantes de la détente. •

Écoulement liquide

Dans les écoulements liquides, ρ reste constant et la vitesse varie inversement à la section. La pression varie comme l’inverse du carré de la vitesse mais ne modifie pas la masse volumique.

T

ρ

id

id

ρ.v

v

S D T 387 A

P

• Écoulement gazeux basse vitesse

Dans les écoulements gazeux basse vitesse, à la différence de l’écoulement liquide, la masse volumique diminue lors de la détente. La variation de la température est faible et n’a pas beaucoup d’influence sur ρ.

•

P

T

ρ

≅cte

v

ρ.v

S D T 387 B

La variation de la vitesse est plus importante que la baisse de masse volumique donc ρ.v augmente. La détente se fait alors dans une section de passage qui diminue. Écoulement gazeux à grande vitesse

En augmentant la détente, la vitesse augmente en même temps que diminuent la température et la pression. Le produit ρ.v augmente tant que la détente n’est pas trop forte. Au fur et à mesure que celle-ci augmente, ρ .v tend à augmenter de moins en moins. La section de passage inverse à ρ . v, diminue en proportion donc de moins en moins jusqu’à devenir constante. Dans cette section, qui est donc la plus petite, le gaz est strictement à la vitesse du son. Cette section est appelée col sonique. 00208_B_F

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21

C 4 -1

Si la détente augmente au-delà de la valeur donnant la vitesse du son, ρ .v diminue car la masse volumique diminue plus que n’augmente la vitesse. La section de passage doit augmenter pour accélérer le gaz. Le gaz est alors à une vitesse supersonique. Pour atteindre une vitesse supersonique, il faut donc une conduite de profil spécifique appelé convergent-divergent. Cette forme est caractéristique des tuyères supersoniques de turbines à vapeur ou des éjecteurs. Dans les équipements non conçus pour fonctionner en supersonique (vannes, plaques à orifices, compresseurs centrifuges, turbines, soupapes de sécurité), le débit est limité par la vitesse du son et la section de passage. Augmenter la détente dans ces cas ne modifie pas de débit. On dit qu’on a atteint le débit critique. En subsonique P

T

ρ

v

ρ.v

S

➘

➘

➘

➚

➚

➘

P

T

ρ

v

ρ.v

S

➘

➘

➘

➚

➘

➘

En supersonique

Exemple : air à 27°C et 3 bars absolus détendu sans frottement Psortie bar abs

T °C

ρ kg/m 3

v m/s

ρ.v

S/Qm * 10–3

pt

3

27

3,49

0

0

4,43

1

2,7

18

3,23

133

314

3,18

2

vitesse supersonique

1 23 4

5

6

7

Vsortie

Vson 1,8

– 14

2,42

286

692

1,43

3

1,58

– 23

2,21

317

700

1,42

4

col de la tuyère

Vsortie 1,81

372

675

1,48

5

0,6

– 83

1,10

471

520

1,92

6

0,3

– 117

0,67

538

362

2,76

7

Vson 1

4 col sonique

7

Le col sonique se situe à la valeur S/Qm minimale donc à la valeur ρ.v maximale. 00208_B_F

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D T 388 A

– 42

D T 388 A

1,2

22

C 4 -1

b - Valeur de la vitesse du son La vitesse du son dans un gaz dépend de divers paramètres liés à la nature du gaz (k, M) et à sa température.

v son = 91

√

v m/s M = masse molaire en g/mol T = température en °K k = exposant isentropique dépendant du gaz

kT M

Exemples T (°C)

v son (m/s)

k

M (g/mole)

air

1,4

29

20 c

343 m/s

H2

1,4

2

20 c

1300 m/s

Cl 2

1,35

71

20 c

215 m/s

méthane

1,3

16

20 c

445 m/s

fréon 22

1,18

86

20

182 m/s

vapeur

1,32

18

200°C

537 m/s

c - Conséquences de la vitesse supersonique • La vitesse supersonique génère des frottements élevés et donc des pertes importantes. Le rendement des machines supersoniques est donc faible et en dehors de petites puissances (turbines à vapeur) ou de contraintes de poids, les machines rencontrées dans les usines sont subsoniques. Une machine conçue en subsonique ne peut pas fonctionner en supersonique et inversement car les profils des canaux dans lesquels passe le gaz est lié au régime d’écoulement. • Dans les vannes ou les soupapes de sécurité la vitesse est théoriquement limitée à la vitesse sonique dans la section de passage entre clapet et siège (blocage sonique). La forme de certaines pièces permettent de dépasser cette vitesse notamment dans certaines soupapes de sécurité. Le ralentissement du gaz dans l’enceinte se trouvant après le clapet se produit avec destruction de l’énergie de vitesse dans des ondes de choc. Celles-ci créent des pressions instables et donc des forces importantes notamment sur les clapets et leur tige ce qui peut provoquer leur rupture.

00208_B_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉCOULEMENT DES FLUIDES CARACTÉRISTIQUES DES ÉCOULEMENTS DE FLUIDES VISQUEUX

C4

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - NOTION DE PERTE DE CHARGE ................................................................................................. 1 II - DIFFÉRENTS RÉGIMES D'ÉCOULEMENT................................................................................... 2 III - PARAMÈTRES INTERVENANT DANS LES PERTES DE CHARGE ............................................ 7 1 - Nature du fluide ................................................................................................................................. 7 2 - Caractéristiques des appareillages.................................................................................................... 7 3 - Conditions de l'écoulement................................................................................................................ 8

IV - CALCUL DES PERTES DE CHARGE EN LIGNE ........................................................................ 44 1 - Loi de pertes de charge ..................................................................................................................... 8 2 - Détermination du facteur de frottement ............................................................................................. 9 3 - Détermination des pertes de charge par l'utilisation des abaques de Paul Lefèvre ........................ 10

V - PERTES DE CHARGES SINGULIÈRES...................................................................................... 12 1 - Coefficients de résistance................................................................................................................ 12 2 - Longueurs droites équivalentes....................................................................................................... 12 3 - Pertes de charge dans les vannes automatiques............................................................................ 14

VI - MESURE DES PERTES DE CHARGE SUR SITE ....................................................................... 14 1 - Mesure des pertes de charge de la ligne d'aspiration d'une pompe ............................................... 14 2 - Mesure des pertes de charge de la ligne de refoulement d'une pompe.......................................... 15

VII - PERTES DE CHARGE DANS LES ÉCOULEMENTS GAZEUX .................................................. 16 PLANCHES : Planche n°1 : Pertes de charge des liquides dans les conduites Planche n°2 : Tableau des longueurs droites équivalentes Planche n°3 : Diagramme des longueurs droites équivalentes Planche n°4 : Pertes de charges des gaz dans les conduites

BA FLU - 02310_A_F - Rév. 2

Ce document comporte 22 pages  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

18/04/2006

-2

1

NOTION DE PERTE DE CHARGE Lors de l’écoulement des fluides réels, il apparaît des frottements entre les particules de fluide et entre fluide et paroi. Ces frottements ont pour origine la vitesse et la viscosité du fluide. Partant de la paroi d’une conduite par exemple, le frottement entre les particules en mouvement et les aspérités de la surface interne du tube génère des forces de frottement retardatrices qui s’opposent à l’avancement du fluide. Ces forces se propagent ensuite au sein du fluide en prenant d’autant plus d’importance que la turbulence de l’écoulement est grande et conduisent à une dégradation de l’énergie ou charge totale possédée par le fluide. Cette perte d’énergie doit être compensée par l’apport d’une quantité équivalente d’énergie par les machines tournantes. La perte d’énergie correspondante est dissipée sous forme de chaleur et est appelée perte de charge. Les pertes de charge dépendent essentiellement : -

de la nature du fluide véhiculé et plus spécialement de sa viscosité

-

des caractéristiques des appareillages dans lesquels s’effectuent l’écoulement : section de passage, état de surface, encrassement, “accidents” de tuyauterie (vanne, robinet, filtre, clapet, orifice, etc.), longueur d’écoulement

-

des conditions de l’écoulement et notamment de la vitesse moyenne de circulation du fluide

En pratique, et en première approximation, les pertes de charge se manifestent le plus souvent par une chute de pression le long de l’écoulement mais il faut prendre garde au fait qu’une baisse de pression n’est pas toujours une perte de charge. Sur le plan de la conservation de l’énergie, l’existence des pertes de charge se manifeste de la façon suivante

2

1

D T 389 A

I-

C 4 -2

- Fluide non visqueux charge totale charge totale en ➀ = en ➁ - Fluide visqueux charge totale charge totale perte de charge = + en ➀ en ➁ de ➀ à ➁

02310_A_F

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2

C 4 -2

En appelant ∆Pf (f = frottement) la perte de charge ➀ à ➁ on a

charge totale charge totale = + ∆Pf en ➁ en ➀

L’estimation ou le calcul des pertes de charge exige de définir préalablement le régime d’écoulement dans lequel on se trouve.

II -

DIFFÉRENTS RÉGIMES D’ÉCOULEMENT Les écoulements industriels peuvent être rattachés à deux régimes principaux •

Fluide visqueux

l’écoulement laminaire caractérisé par : -

la répartition parabolique des vitesses dans une section de conduite

-

la perte de charge proportionnelle au débit : si le débit est multiplié par 1,2 la perte de charge est multipliée par la même valeur

Vitesse D T 390 A

Faible vitesse

02310_A_F

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3

C 4 -2

Le schéma ci-dessous illustre l’évolution des pertes de charge dans le cas d’un écoulement laminaire. A altitude constante (conduite horizontale) la perte de charge se traduit par une chute de pression statique. Si le débit double (Q2 = 2 Q1 ) la perte de charge double (∆Pf2 = 2 ∆Pf1).

Prise de pression statique Fermé Alimentation sous charge constante

débit nul Chute de pression ∆P1 Réglage du débit

Indicateur coloré Débit faible Q 1

D T 391 A

Chute de pression ∆ P 2 = 2∆ P 1

Écoulement en filet rectiligne

Débit faible Q 2 = 2 Q 1

•

l’écoulement complètement turbulent caractérisé par : -

Vitesse D T 392 A

Conditions habituelles d'écoulement

la répartition des vitesses (sauf au voisinage des parois) pratiquement uniforme compte tenu de la turbulence la perte de charge proportionnelle au carré du débit : si le débit est multiplié par 2, la perte de charge est multipliée par 4

02310_A_F

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4

C 4 -2

Traduite en chute de pression statique dans une conduite horizontale, la perte de charge correspondante apparaît sur le schéma ci-dessous. Elle est multipliée par 4 si le débit est multiplié par 2. ∆ P3

Indicateur coloré

Débit important Q 3

D T 391 B

∆P1 = 4 ∆ P3

Indicateur coloré

Débit important Q 4 = 2 Q 3

Le régime d’écoulement dépend des caractéristiques de l’écoulement et des propriétés du fluide. Il peut être caractérisé par le calcul d’un nombre sans dimension appelé nombre de Reynolds.

Nombre de Reynolds Re =

u.D.ρ

µ

u D

ρ

vitesse moyenne diamètre intérieur masse volumique

en m/s en m en kg/m3

µ

viscosité dynamique

en Pa.s

En pratique, on préfère faire apparaître le débit volume Qv et la viscosité cinématique ν. On obtient alors la formule suivante Nombre de Reynolds

Qv D.ν

Re = 3,54 . 104

Qv D

ν

débit volume en m3/h diamètre intérieur de la conduite en cm viscosité cinématique en cSt (centistoke) ou mm2 /s

Si on désire utiliser le débit masse Qm on a

Nombre de Reynolds Re = 35,4 .

Qm D.µ

Qm débit massique en kg/h D en cm µ viscosité dynamique en mPa. s (ou cP)

02310_A_F

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5

C 4 -2

On considère que pour Re < 2100, le régime est laminaire et que pour Re > 40 000, le régime est complètement turbulent. Entre ces 2 valeurs on trouve un régime dit trouble, souvent instable et pour lequel la valeur des pertes de charge est difficile à calculer. En général, on admet de considérer l’écoulement comme turbulent à partir de la valeur 2100 du nombre de Reynolds. En résumé : Régime laminaire : Re < 2100

KQ

2

Régime turbulent : Re > 2100

?

∆P =

L oi

du

r ég

i me

turb

ule

nt e

x tr a

p olé

e

∆P

KQ 2

∆P =

Log ∆P

Laminaire

Troublé QRe = 2100

Turbulent

Complètement turbulent

QRe = 40000

Log Q ou Log u

FRONTIÈRES Loi des pertes de charge selon les régimes d'écoulement

02310_A_F

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D T 798 A

∆P

=k

Q

Points expérimentaux

6

C 4 -2

Application Quel est le régime d'écoulement pour les conditions données ci-dessous ?

tuyauterie Ø intérieur (cm)

Petit Ø liquide visqueux

Grand Ø liquide peu visqueux

1" (DN 25)

12" (DN 300)

2,66

30,32

1,5

200

40

2

section (m 2) débit (m 3/h) vitesse (m/s) viscosité (cSt) Re Régime d'écoulement

Conclusion :

02310_A_F

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7

III -

C 4 -2

PARAMÈTRES INTERVENANT DANS LES PERTES DE CHARGE Les pertes de charge ou perte d’énergie dans les écoulements, représentent sensiblement au niveau d’une usine, les dépenses engagées par le pompage des liquides ou la compression des gaz. Par exemple, cela correspond approximativement à 7 % de la consommation d’énergie d’une raffinerie classique. Les pertes de charge constituent un facteur essentiel de résistance à l’écoulement qui dépend du fluide, des caractéristiques des appareillages rencontrés et des conditions de l’écoulement.

1-

NATURE DU FLUIDE Celle-ci est caractérisé essentiellement par : -

la viscosité (ν) qui détermine prioritairement l’aptitude d’un liquide à l’écoulement. Il est clair que les frottements internes au fluide augmentent avec la viscosité et qu’il en est de même en conséquence pour les pertes de charge. Dans les mêmes conditions d’écoulement liquide on a par exemple la correspondance suivante : viscosité perte de charge :

-

2-

1 cSt → 100 cSt ∆Pf → 3 x ∆Pf

la densité (d) ou masse volumique (ρ) du liquide

CARACTÉRISTIQUES DES APPAREILLAGES Celles-ci concernent d’abord la conduite pour laquelle interviennent : -

la longueur L d’écoulement

-

le diamètre intérieur D

-

l’état de surface de la conduite qui influe sur les frottements entre fluide et paroi. Cet état de surface est caractérisé par la rugosité absolue ε du tube qui correspond à la hauteur moyenne des aspérités mesurée au palpeur. On donne ci-dessous quelques valeurs de rugosité absolue Fonte Acier Tubes réalisés par étirage dans une filière (verre, PVC, cuivre, aluminium) Béton centrifugé

: :

0,26 mm 0,046 mm

: :

0,0015 mm 0,3 à 3 mm

On définit également la rugosité relative ε/D rapport de la rugosité absolue au diamètre intérieur du tube. Les pertes de charge sont évidemment également conditionnées par la présence d’accessoires de tuyauterie tels que : vanne, robinet, filtre, clapet, orifice, … qui constituent des obstacles au bon écoulement du liquide et génèrent des turbulences et des frottements importants. Les pertes de charge introduites par les accessoires de tuyauterie sont appelées pertes de charge singulières.

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8

3-

C 4 -2

CONDITIONS DE L’ÉCOULEMENT Celles-ci concernent essentiellement le débit volume de fluide et donc la vitesse moyenne d’écoulement qui détermine pour une grande part le régime d’écoulement. Dans la grande majorité des cas industriels, l’écoulement est turbulent et les pertes de charge varient comme le carré du débit. Cela signifie que lorsqu’on double la vitesse, les pertes de charge sont multipliées par 4, lorsqu’on la triple, elles sont multipliées par 9. Le choix de la vitesse d’écoulement est donc important et résulte du meilleur compromis économique entre : • •

une faible vitesse conduisant à des pertes de charge modérées mais à des tuyauteries onéreuses, de grand diamètre une vitesse forte permettant des diamètres plus faibles mais conduisant à de plus grandes pertes de charge, coûteuses en énergie

Ceci conduit pour les liquides à des vitesses économiques dans les installations industrielles de l’ordre de 1 à 6 m/s (soit 3,5 à 20 km/h). Dans le cas de distances importantes comme pour les pipelines, le choix de la vitesse est fait par les opérateurs en fonction, par exemple, du coût énergétique et de l’urgence de la demande. Les vitesses pratiquées actuellement vont de 0,8 à 2 m/s. Les écoulement gazeux se font dans une plage de vitesse allant de 10 à 50 m/s.

IV - CALCUL DES PERTES DE CHARGE EN LIGNE 1-

LOI DE PERTES DE CHARGE De nombreuses méthodes permettent d’accéder à la détermination des pertes de charge. A la base celles-ci résultent d’une loi générale qui exprime la perte de charge ∆Pf en unités de pression de la manière suivante : perte de charge ∆Pf = f .

L u2 . ρ . D 2

Dans cette formule générale ∆Pf L D ρ u f

est la perte de charge en Pa est la longueur de conduite en m est le diamètre intérieur en m est la masse volumique du liquide en kg/m3 est la vitesse moyenne du fluide en m/s est le nombre sans dimension appelé facteur de frottement ou coefficient de friction dont la valeur dépend notamment du régime d’écoulement

Dans les formules de détermination des pertes de charge qui peuvent être écrites différemment, en faisant apparaître par exemple le débit du fluide tous les paramètres sont facilement accessibles, le seul problème restant étant la détermination de f.

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9

C 4 -2

Il existe parallèlement de nombreuses formules pratiques permettant d’accéder aux pertes de charge. Parmi celles-ci, les formules suivantes est souvent utilisées lorsque les pertes de charge sont exprimées en pression ∆Pf Qv D L d=

2 L d Qv ∆Pf = 6,254 f D5

en bar en m3/h en cm en m densité

et lorsque les pertes de charge sont exprimées en m de liquide hf L Qv D

2 L x Qv hf = 63,8 f D5

en m en m en m3 /h en cm

Cette dernière formule montre qu'exprimées en mètre de liquide, les pertes de charge sont indépendantes de la densité. On peut, à partir des formules précédentes, constater que si f ne varie pas de façon sensible : -

-

2-

la perte de charge est : •

inversement proportionnelle au diamètre pour une vitesse d’écoulement identique ce qui montre que dans les petites conduites (diamètres < 20 mm) la perte de charge est toujours élevée

•

inversement à la puissance 5 du diamètre pour un débit identique (choisir un diamètre 2 fois plus faible c’est avoir 32 fois plus de pertes de charge)

le débit dans une tuyauterie pour laquelle les pressions amont et aval sont imposées (réseau d’eau et pression atmosphérique par exemple) est proportionnel au rapport des diamètres à la puissance 2,5 soit pour un diamètre 2 fois plus petit 5,6 fois moins de débit.

DÉTERMINATION DU FACTEUR DE FROTTEMENT •

en RÉGIME LAMINAIRE le facteur f est inversement proportionnel au nombre de Reynolds. Il est calculé par la formule facteur de frottement en régime laminaire

f =

64 Re

nombre de Reynolds Re : (Re < 2100)

Il est à signaler que les écoulements qui se déroulent dans ces conditions répondent à la loi de Poiseuille mise en application dans les viscosimètres à capillaire qui permettent de déterminer la viscosité cinématique des liquides. •

en RÉGIME TURBULENT le facteur f dépend non seulement du nombre de Reynolds, mais aussi de l’état de surface interne du tube caractérisé par sa rugosité relative ε /D.

Plusieurs formules permettent de l'estimer, l'ordre de grandeur est de 0,02.

02310_A_F

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10

3-

C 4 -2

DÉTERMINATION DES PERTES DE CHARGE PAR L’UTILISATION DES ABAQUES DE PAUL LEFEVRE A l’époque où les calculatrices ne faisaient pas encore partie de l’univers quotidien on cherchait à éviter l’utilisation de formules complexes et à créer des outils graphiques plus pratiques permettant d’accéder plus rapidement aux résultats souhaités. Ces outils restent d’actualité, en particulier les abaques de Paul Lefèvre (ancien professeur à l’ENSPM) publiés par l’A.F.T.P. La 9ème édition de ces abaques publiés en 1990 comprend 2 fascicules : • •

le premier permet le calcul des pertes de charge des liquides dans des conduites de 5 mm à 100” (2490 mm) le second est relatif aux pertes de charge des gaz et vapeur dans des conduites de 1/2” (15,8 mm) à 40” (990 mm)

Ces abaques sont conçus pour les tubes normalisés en acier du commerce. En annexe, Planche 1, l'abaque correspondant à un tube de 6" (DN 150) liquide. Le mode d’utilisation est le suivant •

repérage du débit sur l’échelle horizontale inférieure (en m3/h). Il est à signaler que l’échelle horizontale supérieure fournit la vitesse correspondante

•

rappel sur la courbe correspond à la viscosité du liquide

•

lecture à droite ou à gauche de la valeur permettant d’accéder à la perte de charge

Selon la lecture choisie (3 possibilités), le calcul de la perte de charge est approché différemment. • lecture à droite en % de la longueur de conduite La valeur obtenue exprime la perte de charge en mètre de liquide pour 100 m de conduite. C'est l'échelle de grandeur la plus pratique à utiliser car elle s'exprime directement en m de pertes de charge et qu'elle est indépendante de la densité. • lecture à gauche en bar/km pour d = 1 La perte de charge en bar est obtenue par

∆Pf =

lecture à gauche x L x d en bar

∆Pf L d

en bar en km densité

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11

C 4 -2

Application Calculer les pertes de charge en m de liquide et en bar dans le cas de l’écoulement liquide : Ø 6" : QV = 200 m3/h ; υ = 2 cSt ; longueur de conduite L = 100 m •

Lecture à droite

=

%

hf

=

m/100 m de conduite

Soit pour 100 m de conduite

hf =

•

Lecture à gauche =

∆Pf =

m de liquide

bar/km pour d = 1

bar

02310_A_F

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12

V-

C 4 -2

PERTES DE CHARGE SINGULIÈRES Deux méthodes principales sont habituellement utilisées pour calculer les pertes de charge singulières introduites par les accessoires et “accidents” de tuyauterie. La première méthode consiste à affecter à chaque accessoire un coefficient de résistance K qui, multiplié par l’énergie cinétique du fluide, détermine la perte de charge. La seconde fait appel à la notion de longueur de conduite droite équivalente qui consiste à traduire la perte de charge induite par l’accessoire en longueur droite provoquant la même perte d’énergie.

1-

COEFFICIENTS DE RÉSISTANCE Les coefficients de résistance K ont été déterminés expérimentalement et la perte de charge est en unité d’énergie définie par :

Perte de charge accessoire = K

u2 2

K coefficient de résistance de l’accessoire u en m/s perte de charge en J/kg

La perte de charge étant de préférence exprimée en hauteur de liquide, on a :

u2 Perte de charge accessoire h f = K 2g

hf en m K coefficient de résistance de l’accessoire u en m/s g = 9,81 m/s2

La correspondance en bar est obtenue par

∆Pf accessoire

=

hf . d 10,2

hf en m d densité liquide ∆Pf en bar

Les valeurs de K pour robinet, clapet, raccord, coude, élargissement, contraction, convergent peuvent être obtenues par des tables de données.

2-

LONGUEURS DROITES ÉQUIVALENTES Chaque accessoire est dans ce cas assimilé à une longueur droite supplémentaire de tuyauterie de même diamètre. On ajoute alors aux longueurs réelles de conduite droite les longueurs équivalentes des accessoires et on applique à la nouvelle longueur totale ainsi obtenue le calcul de perte de charge. Les planches 2 et 3 présentent deux possibilités d’accès aux longueurs droites équivalentes.

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13

C 4 -2

Application Sur 500 m de conduite 6", 100 m3/h, 2 cSt, d = 0,800, on trouve 4 robinets-vannes et 1 clapet antiretour. Déterminer la perte de charge globale correspondante. • Pertes de charge en ligne

∆Pf ligne =

bar

∆Pf singulière =

bar

∆Pf TOTALE =

bar

• Pertes de charge singulière

• Pertes de charge totale

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14

3-

C 4 -2

PERTES DE CHARGE DANS LES VANNES AUTOMATIQUES Le rôle d'une vanne est d'absorber de l'énergie hydraulique en créant une perte de charge appropriée et réglable. Celle-ci dépend des dimensions de la vanne et de son ouverture. Elle est donc variable sur le circuit qui "régule". Pression

Pamont

Pmini

Entrée bride amont

Section contractée

Récupération de pression

D IRA 100 A

Perte de charge Paval

Chute de pression

Sortie bride aval

VI - MESURE DES PERTES DE CHARGE SUR SITE On peut observer et mesurer les pertes de charge d’une ligne en comparant la pression indiquée sur un manomètre entre le moment où le débit est nul et celui où le débit est établi. Pour faire la comparaison, il est indispensable de conserver la même disposition d’installation et la même température.

1-

MESURE DES PERTES DE CHARGE DE LA LIGNE D’ASPIRATION D’UNE POMPE A l’aspiration, le niveau dans le ballon restant constant, la mise en route de la pompe avec débit établi modifie la position du manomètre. On peut constater que la pression diminue au fur et à mesure de l’augmentation du débit.

Pasp

DPf

Pompe arrêtée

Pompe en service (débit établi)

D T 397 A

P

La différence entre l’indication à débit nul et celle à débit établi représente les pertes de charge à l’aspiration.

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15

C 4 -2

2 - MESURE DES PERTES DE CHARGE DE LA LIGNE DE REFOULEMENT D’UNE POMPE Au refoulement d’une pompe et on peut lire le manomètre Pref à débit nul quand : -

la pompe est arrêtée la vanne aspiration est fermée la vanne de refoulement est ouverte le by-pass du clapet est ouvert

mais aussi à condition que la pression PBr et le niveau hr, dans le ballon soient établis.

PBr

hr

D T 398 A

Pref.

Dans ce cas la variation de Pref entre le moment où le débit est nul et le moment où le débit est établi, représente les pertes de charge au refoulement.

∆ Pf

Pref. à débit nul

Pref.

Pompe arrêtée

Pompe en service (à débit établi)

D T 399 A

Prefoulement

On peut aussi calculer la pression qu’indiquerait le manomètre Pref à débit nul, (on néglige l’énergie cinétique dans la conduite au droit du manomètre).

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16

C 4 -2

Elle serait égale à la somme de : -

la pression du ballon :

PBr

-

l’effet de la hauteur de liquide

Pr =

hr . D 10,2

il s’ensuit qu’à débit nul ; pompe arrêtée : Pref = PBr +

hr . d 10,2

Avec P Br pression du ballon de refoulement et hr différence de hauteur entre le niveau du liquide dans le ballon et le manomètre.

VII - PERTES DE CHARGE DANS LES ÉCOULEMENTS GAZEUX Le calcul des pertes de charge dans les écoulements gazeux est rendu difficile par l'influence de la chute de pression (due aux pertes de charge) sur la masse volumique du gaz. La baisse de pression conduit aussi à une baisse de température qui en dehors de vitesse élevée est négligeable. La vitesse dans une conduite de diamètre constant augmente donc avec la chute de pression. La viscosité elle-même dépend de la pression et de la température mais ne change de façon sensible que pour des variations importantes de ces grandeurs. Le calcul peut cependant être conduit comme pour les liquides à condition de choisir des tronçons de conduite où : -

la température ne varie pas (écoulement isotherme)

-

il n'y a pas d'échange de chaleur avec l'extérieur (écoulement adiabatique)

-

la variation de pression sur le tronçon reste faible ce qui permet de considérer qu'il n'y a pas d'influence notable de la détente sur : • la température • la masse volumique • la viscosité

La chute de pression dans les vannes, bien que se faisant généralement avec une baisse limitée de température, modifie largement la masse volumique. La vitesse du gaz dans la conduite avale et donc la perte de charge dépend de la chute de pression dans la vanne. Ce calcul est alors relativement complexe et nécessite au moins une méthode itérative longue à appliquer. D’autres méthodes de calcul peuvent être employées. • Des méthodes de calcul spécifiques à l’écoulement sont utilisées par exemple pour le calcul de gazoduc de grande longueur. • Il existe également des abaques de Paul Lefevre pour les gaz et vapeurs dont l’utilisation est similaire aux abaques pour les liquides. L'abaque de la planche 4 correspond à un tube de 6" (DN 150). 02310_A_F

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17

C 4 -2

Le mode d'utilisation est le suivant : –

repérage du débit (en kg/h ou t/h) en abscisse

–

la double échelle donne la vitesse du gaz pour une masse volumique de 1 kg/m3. Diviser la valeur lue par la masse volumique du gaz pour obtenir la vitesse réelle dans la conduite

–

rappel sur la courbe correspondant à la viscosité en Cp

–

lecture sur l'ordonnée, de la perte de charge exprimée en bar/km pour p= 1 kg/m3. Diviser la valeur lue par la masse volumique du gaz véhiculé en kg/m3

Application Calculer la perte de charge dans une tuyauterie (Ø : 6"; L = 1500 m) dans les conditions suivantes : Qm = 1,4 t/h

p = 7 kg/m3

µ = 17 x 10–3 Cp

02310_A_F

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P = 6 bar abs.

18

C 4 -2

PERTES DE CHARGE DES LIQUIDES DANS LES CONDUITES — Pour un diamètre intérieur de 154 mm - 6"—

– Planche 1 –

Tube DN : 150 0,2 100 90 80 70

0,3

0,4

1

0,5

1,5

2

3

4

5

6

7

8 9 10 100 90 80 70

500

Vitesse (m/sec)

60

Pertes de charge en (bar/km) pour d = 1

60

30

20 15

30

20 15

10

00

100 2 0 0

6 5

0 ,6 1 23 5

4

10 2 0 3 0

7

Pertes de charge en % de longueur de conduite (m de liquide)

50

10 9 8

40

40 0

40

50

300

50

3

2

50

1,5

40

0

30 1 0,9 0,8 0,7

0

0

20

0

0,6 0,5

10 9 8 7 6 5 4 3

2 1,5

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

0

0,4

0,3

0,3

0,2

0,2

30 0,1 10

15

0,15

10 20 3 5 1 2 0 ,6

50

0,15

20

30

Débit (m3/h) 0,1 40

50

60 70 80 90 100

150

200

300

400

02310_A_F

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500 600 700800900

D TH 1014 A

10

0,4

19

C 4 -2

TABLEAU DES LONGUEURS DROITES ÉQUIVALENTES — Planche n°2 —

Diamètres en mm

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Coude à 90° R/D = 2

1

1.7

2.5

3.2

4

5

6

7

8

Coude à 90° R/D = 1,5

1.5

2.5

4

5

6

7.5

9

11

12.5

Coude en fonte

3.2

7.5

12.5

18

24

30

38

44

50

Coude en tôle

7.5

17.5

29

42

56

70

87

102

115

Lyr"e R/D = 6

4

9.5

14.5

20

27

33

41

48

54

Lyre à plis

5

12

18.5

26

34

42

52

61

69

Coude à plis R/D = 2

1.7

2.8

4.2

5.5

6.5

8.5

10

12

13.5

Coude à plis R/D = 1,5

2.4

4

6.5

8

9.5

12

14.5

17.5

20

3.6

5.4

8

6.3

15.5

21

26

32

36

4.5

7

9.5

14

19

25

31

38

43

11.5

17.5

26

36

47

65

74

84

4.5

9

14.5

20

26

34

41

47

54

Robinet à soupape

13

31

50

73

100

130

160

200

250

Robinet d'équerre

10

20

32

45

61

77

95

115

130

Clapet de non retour

3.2

7.5

12.5

18

24

30

38

44

50

Vanne à siège parallèle

0.6

1.5

2

3

4

5

6.5

7.5

8.5

Té Té

5 Té

Les longueurs équivalentes sont exprimées en mètres

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D CONS 1319 B

Té

20

C 4 -2

DIAGRAMME DES LONGUEURS DROITES ÉQUIVALENTES

– Planche n°3 –

Exemple : La ligne pointillée montre que la perte de charge provoquée par un coude ordinaire de 6" est la même que celle provoquée par 5 m de tuyau 6" standard. Note : Pour les élargissements et contractions brusques prendre le petit diamètre d sur l'échelle de la dimension du tuyau.

Robinet à soupape ouvert

Vanne à coin 3/ fermée 4 1/ fermée 2 1/ fermée 4 ouverte

1000 500 300 200

48

50

42 Té ordinaire

36

100

30

50 30

Clapet à battant ouvert

20 Ajutage "Borda" d

Té ordinaire sortie latérale

D

Élargissement brusque d/ = 1/ D 4 d/ = 1/ D 2 d/ = 3/ 4 D d D Ajutage ordinaire

Coude ordinaire ou sortie direct té réduit 1/2

Coude à rayon moyen (rayon court pour coude à brides ) ou sortie directe pour té réduit 1/4

D

3 2 1

Contraction brusque d/ = 1/ D 4 d/ = 1/ D 2 d/ = 3/ D 4

20

20

18 16 14 12 10 9

10

8 7 6 41/2

5

5

4

31/2 2

3

0,50

2

2

0,30

11/2 11/4

21/2

d

0,20 0,10

1

1

3/ 4 Coude à 45°

Coude à grand rayon ou sortie directe, té normal

5

24

22

0,05 0,03

02310_A_F

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1/ 2 0,5

D T 719 D

Coude double r = d

10

Diamètre nominal du tuyau standard, en pouces

Coude à angle droit

Longueur équivalente de tuyau droit, en mètres

30

Diamètre intérieur, en pouces

Robinet d'équerre ouvert

21

C 4 -2

PERTES DE CHARGES DES GAZ DANS LES CONDUITES — Pour un diamètre intérieur de 154 mm - 6"—

– Planche n°4 –

Vitesse (m/s) pour ρ. = 1

Perte de charge (bar/km) (pour ρ. = 1)

Perte de charge (bar.10–3/km) (pour ρ. = 1)

Débit (t/h)

Vitesse (m/s) pour ρ. = 1

02310_A_F

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D TH 1222 A

Débit (t/h)

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉCOULEMENT DES FLUIDES Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C4

ÉTUDE DES CIRCUITS LORS DES ÉCOULEMENTS

I - RÉSISTANCE À L’ÉCOULEMENT D’UN CIRCUIT DE POMPAGE ......................................... 1 1 2 3 -

Description de l’installation ...........................................................................................................1 Résistance du circuit .................................................................................................................... 2 Expression de la résistance à l’écoulement en hauteur de liquide pompe .................................. 3

II - COURBE CARACTÉRISTIQUE D’UN CIRCUIT ....................................................................... 6 1 2 -

Cas général .................................................................................................................................. 6 Cas particuliers.............................................................................................................................8

BA FLU - 02331_A_F - Rév. 0

Ce document comporte 9 pages

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06/04/2005

-3

1

I-

C 4 -3

RÉSISTANCE À L’ÉCOULEMENT D’UN CIRCUIT DE POMPAGE 1-

DESCRIPTION DE L’INSTALLATION On appelle installation, un circuit de pompage dans lequel un liquide est véhiculé par l’intermédiaire d’une pompe centrifuge d’une capacité (située à l’aspiration) à une autre capacité (positionnée au refoulement). Les pressions de marche des deux réservoirs sont généralement différentes et le circuit peut comporter également des appareillages d’échange thermique. On se place toutefois ici dans le cas simple d’un écoulement isotherme dans lequel le liquide est transféré selon le schéma ci-après.

P2 P1 1

Fluide pompé de densité d4t

∆H PA

Vanne automatique

H2 P R FR

H1 A

Plan de référence

R Pompe centrifuge

D T 298 G

Réservoir amont

Réservoir aval

Débitmètre

Les conditions de transfert sont bien entendu déterminées par la géométrie et les conditions opératoires de l’installation. Pour un débit donné elles exigent la connaissance de l’énergie possédée par le fluide en amont et en aval de la pompe et bien entendu des pertes de charge correspondant à ce débit.

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2

2-

C 4 -3

RÉSISTANCE DU CIRCUIT L’énergie à fournir par la pompe doit compenser la résistance à l'écoulement présentée par le circuit. Cette dernière correspond à la différence de charge entre les conditions ➀ initiales et les conditions ② finales à laquelle s’ajoutent les pertes de charge correspondant au débit véhiculé. Le tableau ci-dessous présente la différence de charge entre ➀ et ② , exprimée en J/kg.

Réservoir amont

➀

Réservoir aval

Différence ② – ➀

②

g (h 2 – h1) Énergie d’altitude

Énergie cinétique

g . h1

g . h2

2 u1 2

2 u2 2

Selon le positionnement des réservoirs cette différence peut être positive ou négative. Elle aide ou pénalise la pompe Dans le cas envisagé u1 = u2 = 0 (niveaux fixes) P2 – P1

Énergie de pression

P1

P2

ρ

ρ

ρ La différence de pression entre les capacités est un facteur évident de résistance à l’écoulement si P 2 est supérieure à P 1.

Aux deux termes précédents qui sont indépendants du débit, s’ajoutent les pertes de charge ∆Pf qui devront également être compensées par la pompe et dont la valeur dépend du débit véhiculé. Au total la résistance globale du circuit exprimée en terme d’énergie s’écrit :

Résistance du circuit

= g (h2 – h1) +

P2 – P1

ρ

+ ∆Pf

Résistance du circuit en J/kg g = 9,81 m/s2 h1, h2 en m P en Pa ρ en kg/m3 ∆Pf en J/kg

Présentée de cette manière en pratique, la formule précédente est peu utilisée dans la mesure où la résistance du circuit détermine la charge de la pompe, cette dernière étant exprimée habituellement en hauteur de liquide. Les pompes centrifuges sont en effet caractérisées par leur hauteur totale d’élévation. Les différents termes de la formule précédente doivent donc subir un changement d’unité destiné à transformer des énergies en hauteur de liquide.

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3

3-

C 4 -3

EXPRESSION DE LA RÉSISTANCE À L'ÉCOULEMENT EN HAUTEUR DE LIQUIDE POMPE • Différence d’altitude W = g . h. m

L’énergie massique est donnée par la relation :

En conséquence, le passage en hauteur de liquide correspond à une division par g, de cette quantité d'énergie massique :

Différence d’altitude

h1, h2 en m de liquide ∆h en m de liquide

h2 – h1 = ∆h

• Différence de pression En terme d’énergie, l'énergie de pression s’exprime par

P2 – P1

ρ

De la même manière la division par g de cette quantité d'énergie permet d'exprimer ce poste en hauteur de liquide soit : P1, P2 en Pa ρ en kg/m3

P2 – P1 ρg

g = 9,81 m/s2

Pratiquement, la différence de pression est exprimée en bar et la densité est employée de préférence à la masse volumique :

Différence de pression exprimée en hauteur de liquide

∆P . 10,2 = d

différence de pression en m ∆P en bar d densité

Ces deux premiers termes, indépendant du débit définissent la résistance statique du circuit :

Résistance statique = du circuit

∆h +

∆P .10,2 d

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4

C 4 -3

Application Déterminer la résistance statique d’un circuit répondant aux conditions de fonctionnement suivantes : h1 = 0,5 m

P1 = 10 bars

h2 = 30 m

P2 = 12 bars

densité du liquide = 0,824

Résistance statique = du circuit

m de liquide

• Pertes de charge Les pertes de charge correspondent à une perte d’énergie liée aux frottements qui accompagnent les écoulements de liquide. En pratique, les pertes de charge sont souvent exprimées en unités de pression (∆ P f ) et la transformation pression-hauteur s’effectue comme précédemment, soit :

Perte de charge en hauteur de liquide

∆Pf . 10,2 hf = d

hf en m ∆Pf en bar d densité

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5

C 4 -3

La connaissance des trois termes permet d’exprimer la résistance totale du circuit H en hauteur de liquide pour un débit volumique provoquant la perte de charge hf. Résistance totale du circuit

∆P . 10,2 = ∆h + + hf d

tous les termes exprimés en mètre de liquide

Application Pour un débit de 30 m3/h la perte de charge précédent est de 3 bars. Déterminer la résistance totale du circuit.

Résistance totale =

m de liquide

02331_A_F

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6

II -

C 4 -3

COURBE CARACTÉRISTIQUE D’UN CIRCUIT 1-

CAS GÉNÉRAL La courbe caractéristique d’un circuit exprime graphiquement la variation de la résistance totale du circuit en fonction du débit. Si l’on considère les conditions de hauteur et de pression constantes en amont et en aval, on voit que la résistance du circuit va varier en fonction des pertes de charge, c’est-à-dire en fonction du débit. Les applications précédentes permettent de situer cette variation numériquement en supposant que les pertes de charge varient comme le carré du débit.

0 m3

Débit

30 m 3 /h

∆h ∆P . 10,2 d hf Résistance totale

En reportant ces valeurs sur un graphique, on obtient une courbe d’allure parabolique appelée courbe caractéristique du circuit.

Hcircuit (m de liquide)

Résistance totale du circuit

hfz = 4 hf1

hf hf1 ∆P. 10,2 d

+∆h D T 3014 A

Hcircuit

0

Qv1

Qv

Qv2 = 2Qv

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Débit volume (m3/h)

7

C 4 -3

Cette courbe caractéristique du circuit peut être modifiée si l’on fait varier les pertes de charge ce qui est possible par exemple en modifiant l’ouverture de la vanne automatique située sur le circuit. Le schéma ci-dessous montre l’évolution de la courbe caractéristique du circuit depuis la situation “vanne automatique grande ouverte” jusqu’à la fermeture totale.

La vanne auto se referme

Vanne auto grande ouverte

Hcircuit Vanne auto toute fermée

hf

Vanne partiellement fermée

hf : Vanne grande ouverte D T 3015 A

∆P. 10,2 + ∆h d 0 A ne varie pas avec fermeture vanne auto 0

Qv

Débit volume

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2-

C 4 -3

CAS PARTICULIERS Parallèlement, la résistance statique du circuit peut varier en fonction des différences d’altitude et de pression des capacités amont et aval. Il se peut par exemple, que la pression et la hauteur du réservoir amont soient plus élevées que celles du réservoir aval. Dans ce cas la résistance statique du circuit est négative ce qui signifie que l’écoulement peut se produire en l’absence de pompe. Dans le cas de transferts de bac à bac on se trouve face à des niveaux de liquide qui évoluent au cours du pompage et qui changent donc en conséquence la résistance statique du circuit. Les schémas ci-dessous montrent deux exemples : -

le premier correspond à un cas où l’altitude et la pression sont identiques dans les deux capacités

Hcircuit Même pression B Même hauteur D T 3016 A

Exemple :

0 Qv Résistance nulle

- le second est l’illustration d’une résistance négative. L’écoulement sans pompe est possible si le débit qui provoque une résistance égale à la charge statique négative est disponible

Hcircuit P1 Exemple :

P1 inférieur ou égale à P2

B

P2

0 Résistance négative (écoulement possible sans pompe)

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D T 3016 B

Qv

0A négatif

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

COURANTS ÉLECTRIQUES CONTINU ET ALTERNATIF

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

A - COURANT CONTINU

I - CHARGES ÉLECTRIQUES ...................................................................................................... 1 1 2 3 -

Électrisation d’un corps ................................................................................................................ 1 Nature des charges électriques ...................................................................................................3 Unité de charge électrique ...........................................................................................................5

II - DIFFÉRENCE DE POTENTIEL ÉLECTRIQUE......................................................................... 5 III - COURANT ÉLECTRIQUE ......................................................................................................... 7 1 2 3 4 5

-

Phénomènes ................................................................................................................................ 7 Sens du courant électrique...........................................................................................................9 Nature du courant électrique ...................................................................................................... 10 Intensité du courant.................................................................................................................... 11 Intensité du courant et quantité d’électricité ............................................................................... 11

IV - PUISSANCE ÉLECTRIQUE - EFFET JOULE - LOI D’OHM ................................................... 13 1 2 3 4

-

Énergie et puissance.................................................................................................................. 13 Effet Joule .................................................................................................................................. 13 Loi d’Ohm ...................................................................................................................................14 Utilisations pratiques de ces lois ................................................................................................ 14

ME DIV - 02466_A_F - Rév. 1

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08/06/2005

-1/A

II

C 5 -1/A

B - COURANT ALTERNATIF

I - PHÉNOMÈNE D’INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE ....................................................... 16 1 2 -

Champ magnétique - Champ électromagnétique ......................................................................16 Interaction entre un champ magnétique et un courant électrique .............................................. 17

II - CRÉATION D’UNE TENSION ALTERNATIVE........................................................................ 19 III - COURANT ALTERNATIF DANS UNE RÉSISTANCE - LOI D’OHM - EXPRESSION DE LA PUISSANCE ................................................................................................................ 22 1 2 -

Loi d’Ohm aux bornes d’une résistance ..................................................................................... 22 Puissance dissipée dans une résistance.................................................................................... 22

IV - COURANT ALTERNATIF DANS UN BOBINAGE ................................................................... 24 1 2 -

Évolutions du courant et de la tension........................................................................................ 24 Puissance dans une self ............................................................................................................ 24

V - COURANT ALTERNATIF DANS UN CONDENSATEUR ....................................................... 25 1 2 -

Évolution du courant et de la tension .........................................................................................25 Puissance ...................................................................................................................................25

VI - COURANT ALTERNATIF DANS UN RÉCEPTEUR QUELCONQUE ..................................... 27 1 2 -

Évolutions de l’intensité et de la tension .................................................................................... 27 Notion d’impédance ...................................................................................................................29

VII - LE TRIPHASÉ ......................................................................................................................... 30 1 2 3 4

-

Générateur de tensions triphasées ............................................................................................ 30 Tensions simples - Tensions composées ..................................................................................31 Utilité du fil neutre.......................................................................................................................33 Puissance consommée par un récepteur triphasé ..................................................................... 34

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1

C 5 -1/A

A - COURANT CONTINU

I-

CHARGES ÉLECTRIQUES 1-

ÉLECTRISATION D’UN CORPS a - Expériences

D SEC 3069 A

Un bâton d’ébonite, tenu à la main et frotté avec une fourrure ou avec un tissu de laine, de soie, de fibres synthétiques, acquiert la propriété d’attirer les corps légers sur la partie frottée (figure cidessous) ; on dit qu’il s’électrise par frottement.

Le bâton d’ébonite, électrisé par frottement, attire de petits morceaux de papier. On peut répéter l’expérience en frottant de la même façon un bâton de verre, une règle ou un stylo en matière plastique. Par exemple, si la poussière a tendance à adhérer sur la surface d’un disque de musique, c’est parce que le frottement de tête de lecture a électrisé la matière plastique du disque. D’autre part, une tige métallique, en cuivre ou en laiton, bien que très énergiquement frottée avec la même fourrure ou le même tissu, n’attire pas les corps légers lorsqu’elle est tenue à la main (figure cidessous) ; par contre, elle s’électrise sur toute la surface quand on la tient par l’intermédiaire d’un manche en ébonite, en verre ou en matière plastique. Métal

Poignée en ébonite

D SEC 3069 B

Métal

b - Interprétation On admet que les forces qui attirent ainsi de très légers objets sur les corps électrisés ont leur origine dans l’apparition, à la surface de ces corps, de petites quantités d’électricité, encore appelées des charges électriques. Dans les corps tels que l’ébonite, le verre, les matières plastiques, ces charges électriques ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement), on dit que ces corps sont des isolants (ou de mauvais conducteurs de l’électricité). 02466_A_F

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C 5 -1/A

Par contre, un métal comme le cuivre ou l’aluminium, ou encore un alliage métallique comme le laiton, les charges électriques se déplacent facilement ; on dit que ces corps sont de bons conducteurs de l’électricité ou, plus brièvement, des conducteurs. Tous les autres corps sont plus ou moins conducteurs ou plus ou moins isolants. Le corps humain, par exemple, est légèrement conducteur, c’est pourquoi un homme ressent le passage d’un courant électrique. c - Les deux espèces d’électricité En a, après avoir électrisé par frottement les extrémités E et E’ de deux bâtons d’ébonite, plaçons l’un de ces bâtons sur un étrier léger suspendu à un fil fin. Approchons de l’extrémité électrisée E du bâton suspendu, l’extrémité électrisée E’ de l’autre bâton : nous constatons qu’elles se repoussent. En b, remplaçons sur l’étrier le bâton d’ébonite par un bâton de verre dont la partie V a été électrisée par frottement avec du drap, puis approchons de V l’extrémité E’ du bâton d’ébonite tenu à la main : nous observons cette fois une attraction. Enfin en c, si nous approchons de V la partie électrisée V’ d’un autre bâton de verre tenu à la main, nous observons de nouveau une répulsion.

V

V'

E'

E'

Ébonite

Verre Ébonite a

V

Ébonite

b

c Verre

Ces expériences conduisent aux conclusions suivantes : -

les charges électriques apparaissant sur le verre et sur l’ébonite sont d’espèces différentes Par pure convention, il a été décidé d’appeler électricité positive celle qui apparaît sur le verre, et électricité négative celle qui apparaît sur l’ébonite.

- deux corps chargés d’électricité de la même espèce se repoussent. Deux corps chargés d’électricité d’espèces différentes s’attirent Il est à noter que l’électrisation d’un corps peut se faire de plusieurs façons : -

par frottement comme il vient d’être vu

-

par contact entre un corps électrisé et un autre. Après séparation des deux corps, le second se retrouve électrisé par de l’électricité de même espèce que la première

- par influence en approchant, sans le toucher, un corps électrisé d’un second corps, celui-ci se charge d’électricité d’espèce opposée à la première

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D SEC 3070 A

E

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2-

C 5 -1/A

NATURE DES CHARGES ÉLECTRIQUES La nature de l’électricité est à rechercher dans la constitution de la matière. Tous les corps sont formés par des assemblages d’atomes, particules extrêmement petites qui se comptent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière. Chaque atome est constitué par un noyau, chargé d’électricité positive, autour duquel gravite un nombre variable d’infimes granules d’électricité négative que l’on appelle des électrons. Dans toutes les opérations ordinaires de la physique et de la chimie, les noyaux des atomes demeurent inaltérés, ils conservent donc intégralement leur charge électrique positive. Par contre, sous diverses influences, l’atome peut céder ou, au contraire, fixer un ou plusieurs électrons. À l’état normal, un atome est électriquement neutre parce que la charge négative que représente l’ensemble de ses électrons est égale en valeur absolue à la charge positive de son noyau. Si on enlève des électrons à un corps, la charge positive globale des noyaux de tous ses atomes n’est plus exactement neutralisée par la charge négative globale des électrons restants et le corps s’électrise positivement. Il s’électrise au contraire négativement si on lui apporte un supplément d’électrons. Ainsi, toute électrisation apparaît comme un transfert d’électrons : -

une charge négative est un excès d’électrons une charge positive est un défaut d’électrons

a - Conducteurs métalliques Les métaux et leurs alliages sont constitués par un enchevêtrement de petits cristaux dans lesquels les atomes sont ordonnés géométriquement dans un réseau cristallin. Ces atomes métalliques perdent facilement un ou plusieurs électrons périphériques, qui demeurent à l’intérieur du réseau et y circulent en tous sens de façon désordonnée ; on les appelle les électrons libres du métal. Cette possibilité, pour des électrons, de se déplacer facilement dans les espaces vides qui séparent les atomes d’un métal, explique l’impossibilité d’électriser une tige métallique que l’on tient à la main. Si le frottement fait passer un excédent d’électrons sur une partie de la tige, ils se dispersent aussitôt dans le sol, par l’intermédiaire de la tige et du corps de l’expérimentateur.

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C 5 -1/A

Exemple : l’atome de cuivre contient 29 électrons dont un, le plus éloigné du noyau, est un électron libre, quand les atomes sont assemblés en cristaux.

D SEC 3071 A

Électron libre

Les conducteurs n’ont pas tous le même nombre d’électrons libres. L’aluminium est un conducteur possédant 3 électrons libres par atomes. b - Isolants Considérons par exemple l’électrisation d’un bâton d’ébonite que l’on frotte avec un tissu de soie ; des électrons, arrachés aux tissu par le frottement, passent sur le bâton ; de ce fait, l’ébonite s’électrise négativement pendant que la soie s’électrise positivement, les charges qui apparaissent ainsi de part et d’autre étant égales en valeur absolue. Le fait que l’excédent d’électrons reçu par le bâton ne s’écoule par dans la main de l’opérateur montre que, dans un isolant, les électrons ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement). C’est pour la même raison que les charges positives apparentes du tissu de soie restent localisées aux points où le frottement a extrait des électrons, ceux-ci ne pouvant être remplacés par des électrons provenant d’atomes voisins. L’atome d’un isolant est caractérisé par une couche extérieure retenant fermement ses électrons. Il n’y a pas d’électrons libres ou très peu. c - Semi-conducteurs Ce sont des corps intermédiaires entre conducteurs et isolants. Ils ont la particularité toutefois d’être meilleurs conducteurs à chaud qu’à froid.

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3-

C 5 -1/A

UNITÉ DE CHARGE ÉLECTRIQUE Les forces d’attraction ou de répulsion, qui s’exercent entre deux corps électrisés ont une valeur qui dépend de leur “charge”, c’est-à-dire du nombre de charges électriques élémentaires, les électrons, qui ont été déplacées lors de l’électrisation par frottement ou par un autre moyen. Cette charge, qui représente une quantité d’électricité, s’exprime en Coulomb dont le symbole est C. Sa définition sera vue un peu plus loin. Dans cette unité, la charge de l’électron, c’est-à-dire la quantité d’électricité portée par l’électron est égale à e = – 1,6 × 10 – 19 Coulomb. Elle est très petite et donc peu pratique pour les quantités d’électricité consommées habituellement dans un appareil électrique. Par exemple, une lampe de 100 watt consomme environ 1600 Coulomb en 1 heure. Application : combien d’électrons faut-il rassembler pour constituer, une quantité d’électricité égale à 1 Coulomb ? Combien de milliards cela fait-il ? Réponse :

II -

1C=

électrons

soit

milliards d’électrons

DIFFÉRENCE DE POTENTIEL ÉLECTRIQUE Si deux plateaux métalliques P et N sont chargés, l’un positivement, l’autre négativement, il existe entre ces deux plateaux une différence de potentiel, exprimée en Volt, de symbole (V). Il s’agit bien d’une différence, dans la mesure où elle exprime le fait qu’il y a manque d’électrons sur la plaque positive P et excès d’électrons sur la plaque négative N. Il n’y a pas, à proprement parler de valeur zéro du potentiel électrique. Par convention et par commodité, il est souvent décidé de donner la valeur zéro au potentiel de la terre, mais ceci est toujours relatif. Un corps chargé peut toujours être plus négatif qu’un autre corps, mais plus positif (c’est-à-dire moins négatif) qu’un troisième corps.

d.d.p. = différence de potentiel entre P et N On dit souvent tension entre P et N

P

N

D SEC 3072 A

d.d.p.

Cette différence de potentiel, ou tension, est ce qui fait apparaître une force entre les deux plaques. Cette force sert à déplacer des charges électriques. 02466_A_F

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C 5 -1/A

• Notion de générateur Un générateur est un dispositif qui maintient une différence de potentiel entre ses extrémités, grâce à un apport d’énergie : -

énergie chimique dans un accumulateur électrique énergie mécanique par un alternateur ou une dynamo

Une certaine analogie peut être faite entre des chutes d’eau et une batterie d’accumulateur par exemple.

2V

2m 6m 2m

2V

2V

d.d.p. 6V

D SEC 3073 A

2m

Trois barrages de 2 mètres chacun donnent une chute ou différence de hauteur, totale de 6 mètres. Trois batteries au plomb de 2 volts chacune, branchées à la suite (on dit “en série”) donnent un accumulateur de 6 volts. L’accumulateur est une réserve d’énergie électrique. Elle représente, en général, une faible quantité d’électricité. L’énergie électrique est, en effet, une énergie très difficilement stockable : elle est même considérée comme énergie non stockable. L’accumulateur doit être vu comme un cas particulier ne représentant qu’une partie tout à fait négligeable de l’électricité consommée dans les activités humaines. Les différences de potentiel utilisées dans la pratique sont extrêmement variées selon l’usage : -

quelques micro ou milli volts dans certains capteurs de mesure (thermocouples, débitmètres, …)

-

quelques volts pour un poste radio, dans une lampe de poche

-

6 ou 12 volts pour une automobile

-

220 volts pour l’éclairage domestique

-

5000 à 11000 V pour les réseaux internes d’usine ou pour les gros moteurs électriques

- jusqu’à 225000 V et plus (400000 à 750000 V) dans des réseaux de transport d’électricité sur longues distances Ces tensions sont l’élément moteur des déplacements des charges électriques qui forment le courant électrique.

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C 5 -1/A

III - COURANT ÉLECTRIQUE 1-

PHÉNOMÈNES Un courant électrique est un phénomène qui apparaît dans un circuit électrique comportant un générateur et des récepteurs, lorsqu’on le ferme sur lui-même. Il se manifeste par des effets facilement décelables de l’extérieur. a - Exemple de circuit électrique La figure ci-dessous représente un circuit dans lequel vont apparaître les effets du courant électrique. Il comprend, montés en série : - une batterie d’accumulateurs, comme celle que possède toute voiture automobile ; ses deux bornes sont désignées ici par les lettres P et N -

un interrupteur K

- une cuve d’électrolyse (ou électrolyseur) ; la cuve contient une solution aqueuse de soude dans laquelle plongent deux tiges en fer A et C, qui constituent des électrodes -

une lampe d’incandescence L

- un fil de cuivre rectiligne EE’, fixe, disposé parallèlement à une aiguille aimantée en équilibre sur un pivot M - une tige de cuivre FF’, mobile autour de son point de suspension F et dont l’extrémité inférieure trempe dans du mercure ; cette tige passe entre les branches d’un gros aimant en forme de U

E'

E

E'

N F

K

F O2

P N

L

P N

H2

F'

F'

Mercure

Mercure

Effets du courant électrique

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D SEC 3074 A

S K

E

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C 5 -1/A

b - Les effets observables du courant électrique Rien ne se passe tant que l’interrupteur K est ouvert. Par contre, dès que l’interrupteur K est fermé, trois effets immédiats et simultanés apparaissent. • Effet calorifique En un temps très court, le filament de la lampe est porté à une température très élevée, dépassant 2000°C ; de ce fait, il devient incandescent, c’est-à-dire qu’il émet une vive lumière et cède de la chaleur aux corps qui l’environnent. • Effet chimique Des bulles apparaissent sur chacune des électrodes de l’électrolyseur, là où cette électrode est en contact avec la solution de soude ; ces bulles se détachent, s’élèvent dans le liquide et le gaz qu’elles contiennent emplit peu à peu l’éprouvette qui coiffe l’électrode. Le gaz recueilli en A est de l’oxygène. Par contre, le gaz que l’on recueille en C est de l’hydrogène ; le fait que son volume est double du volume d’oxygène obtenu dans le même temps montre que l’effet chimique (appelé électrolyse) se solde ici par une décomposition de l’eau : H 2 O → H2 + 1/2 O2 • Effets magnétiques L’aiguille aimantée dévie dès que l’on ferme le circuit. Cette déviation montre qu’au voisinage d’un circuit parcouru par un courant électrique, un aimant est soumis à des forces. Réciproquement, un aimant exerce des forces sur un circuit parcouru par un courant ; nous observons en effet que le film mobile FF’ se déplace entre les branches de l’aimant U dès sa fermeture du circuit, dans une direction donnée.

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2-

C 5 -1/A

SENS DU COURANT ÉLECTRIQUE a - Le courant électrique a un sens Intervertissons les connexions qui relient les bornes du générateur au reste du circuit (figure cidessous). E

E'

K

F H2

P N F' Mercure

D SEC 3075 A

O2

Les connexions P et N ont été interverties par rapport à la figure précédente.

Les déviations de l’aiguille aimantée et du fil FF’ changent de sens. De l’eau est encore décomposée dans l’électrolyseur mais l’hydrogène apparaît maintenant en A et l’oxygène en C : les rôles des deux électrolytes sont intervertis. On attribue ces changements de sens des effets magnétiques et de l’effet chimique au changement de sens de leur cause, c’est-à-dire du courant électrique qui parcourt le circuit. b - La définition du sens conventionnel du courant Puisque le sens des effets chimiques et magnétiques est lié à celui du courant, l’un quelconque de ces effets peut servir à définir arbitrairement le sens du courant. Voici comment on définit le sens conventionnel du courant électrique à partir de l’effet chimique : dans un électrolyseur où s’effectue l’électrolyse de l’eau, le courant entre par l’électrode sur laquelle se dégage l’oxygène et sort par l’électrode sur laquelle se dégage l’hydrogène. Ces électrodes s’appellent respectivement anode et cathode. En résumé, la convention de sens du courant revient à distinguer les points suivants : -

générateur : • pôle positif (+) = la borne par laquelle le courant sort du générateur • pôle négatif (–) = la borne par laquelle le courant entre dans ce générateur Il revient au même de dire qu’à l’extérieur du générateur le courant circule du pôle positif vers le pôle négatif. Le générateur est lui-même traversé par le courant du pôle négatif vers le pôle positif.

-

électrolyseur : • anode = l’électrode par laquelle le courant entre dans l’électrolyseur • cathode = l’électrode par laquelle le courant sort de cet électrolyseur

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3-

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NATURE DU COURANT ÉLECTRIQUE C’est un mouvement d’ensemble, une circulation des particules chargées dans toutes les parties d’un circuit dont l’interrupteur est fermé. Ces particules chargées sont : -

des électrons dans les conducteurs métalliques des ions dans les électrolytes (liquides conducteurs)

Rappel : les ions sont des atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons (ions +) ou qui en ont fixé au contraire (ions –). • Mécanisme du courant électrique dans les conducteurs métalliques Tant que l’interrupteur est ouvert, les électrons libres du métal s’agitent de façon désordonnée. Quand l’interrupteur est fermé, les électrons sont repoussés du pôle négatif et attirés par le pôle positif du générateur. Ces électrons libres ont alors un mouvement d’ensemble vers le pôle positif, qui se superpose à leur agitation désordonnée permanente et qui provoque les effets observables cités. Ce mouvement d’ensemble s’effectue en sens inverse du sens conventionnel : ceci est une “malchance” due au fait que le sens conventionnel a été décidé longtemps avant d’avoir compris la nature électronique du courant électrique.

Déplacement des électrons

CONDUCTEUR MÉTALLIQUE Sens conventionnel du courant

Pôle positif

Pôle négatif

D SEC 3076 A

GÉNÉRATEUR

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4-

C 5 -1/A

INTENSITÉ DU COURANT Les effets calorifiques, chimiques et magnétiques sont d’autant plus marqués que le nombre d’électrons en mouvement est plus grand. Il existe des relations entre l’intensité de ces phénomènes et ce l’on appelle l’intensité du courant électrique. Cette intensité est analogue à un débit. Elle s’exprime en Ampère de symbole (A). L’intensité représente la quantité d’électricité qui transite par seconde dans le circuit. 1 Ampère = 1 Coulomb par seconde 1 A = 1 C/s Application Sachant qu’un électron représente une quantité d’électricité e = 1,6 × 10 –19 C, combien d’électrons par seconde circulent dans un circuit parcouru par un courant d’intensité 1 Ampère ? Quelques ordres de grandeur d’intensités :

5-

-

signaux normalisés pour un appareil de mesure-régulation : 4 à 20 milliampères

-

lampe à incandescence 100 Watt : 0,5 A

-

radiateur électrique domestique : 4 à 10 A

-

petit moteur électrique : 10 A

-

gros moteur électrique : 100 à 500 A

INTENSITÉ DU COURANT ET QUANTITÉ D’ÉLECTRICITÉ L’intensité étant un débit de quantité d’électricité, il est possible de dire que la quantité d’électricité Q est le produit de l’intensité I par le temps de fonctionnement t. Q = I . t L’unité légale de quantité d’électricité est le Coulomb (1 C = 1 A . seconde). C’est une unité peu commode car petite. On lui préfère souvent l’Ampère-heure (Ah). 1 Ah = 3600 C C’est l’unité pratique utilisée pour désigner la “capacité”, c’est-à-dire la contenance des batteries d’accumulateurs par exemple.

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C 5 -1/A

Application Une batterie d’automobile est indiquée : 12 V – 50 Ah 1 - Combien de temps tiendra-t-elle en débitant 10 A ?

2 - Combien de temps tiendra-t-elle en débitant 0,5 A ?

3 - Le démarreur consomme 150 A. Combien de minutes pourrait-on tirer sur le démarreur ?

En réalité la batterie sera vidée bien avant cela. La capacité d’une batterie n’est pas constante. La plaque indiquant 50 Ah sous-entend généralement “en 5 heures”, soit sous 10 A. La capacité sera plus grande si l’intensité est plus faible mais nettement moins grande si l’intensité est nettement plus élevée.

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C 5 -1/A

IV - PUISSANCE ÉLECTRIQUE - EFFET JOULE - LOI D’OHM 1-

ÉNERGIE ET PUISSANCE De même que pour déplacer des masses il faut fournir un certain travail, une certaine énergie est nécessaire pour déplacer des charges électriques dans un circuit. Cette énergie électrique consommée est égale au produit de la quantité d’électricité déplacée par ce qui a provoqué ce déplacement : la différence de potentiel ou tension. W = Q . U W : l’énergie est exprimée en Joule Q : quantité d’électricité en Coulomb U : tension en Volt L’énergie électrique consommée par seconde s’appelle la puissance électrique. P =

W Q.U = = I.U t t

soit : P = U.I avec P puissance en Watt U tension en volt I courant en Ampère Une unité souvent utilisée pour l’énergie électrique consommée est le kilowattheure. C’est l’énergie qui correspond à une puissance utilisée de 1 kW pendant 1 heure.

2-

EFFET JOULE Un courant électrique traversant un conducteur s’accompagne d’un dégagement de chaleur. L’expérience montre que l’énergie dégagée est proportionnelle au carré du courant et à la durée de son passage. W = R . I2 . t La constante, dépendant du conducteur électrique (de sa nature, de sa forme, de sa température) est appelée résistance électrique du conducteur. L’unité de résistance électrique est l’Ohm (symbole Ω). Une résistance de 1 Ohm dégage donc une quantité de chaleur W égale à 1 Joule par seconde, lorsqu’elle est parcourue par un courant électrique I de 1 Ampère. La quantité de chaleur dégagée par seconde est la puissance électrique consommée dans la résistance, soit : P = R . I2 avec P en Watt R en Ohm I en Ampère

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3-

C 5 -1/A

LOI D’OHM Les deux expressions des puissances électriques aboutissent à la loi d’Ohm : U = R.I qui relie le courant I traversant une résistance R, lorsqu’elle est branchée entre deux bornes dont la différence de potentiel est U.

R D SEC 3077 A

U

4-

UTILISATIONS PRATIQUES DE CES LOIS De nombreux appareils utilisent les lois du courant électrique dans une résistance : -

chauffage électrique

-

traçage électrique

-

fer à repasser, cuisinière électrique, …

-

éclairage (par échauffement vers 2500°C d’un filament de tungstène dans une ampoule sous-vide poussé, remplie ensuite de gaz inerte)

-

soudage électrique (par arc électrique)

-

protections électriques par bilames, par fusibles

-

capteurs/transmetteurs de température, de pression, de niveau, …

Application 1 Un radiateur électrique de 3520 W est branché sur du 220 V. 1 - Quel est le courant absorbé ?

2 - Quelle est la résistance de ce radiateur ?

3 - Quel sera le coût de 12 heures de chauffage, sachant que 1 kWh coûte 15 centimes d’euros ?

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Application 2 Comparaison entre deux types d’ampoules à fil de tungstène. 1 - Ampoule 100 W/220 V pour l’éclairage Quelle est la résistance du fil de tungstène ? -

valeur du courant :

-

valeur de la résistance :

2 - Ampoule 5 W/12 V pour feux de position automobile Quelle est la résistance du fil de tungstène ?

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B - COURANT ALTERNATIF

I-

PHÉNOMÈNE D’INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE Il a été vu dans l’étude du courant continu, que celui-ci était accompagné d’un effet magnétique provoquant la déviation de l’aiguille d’une boussole ou d’une tige parcourue par le courant et placée entre les bras d’un aimant en forme de U. Ces effets magnétiques et leurs dérivés sont à la base de l’utilisation industrielle des courants alternatifs.

1-

CHAMP MAGNÉTIQUE - CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE • Aimants naturels Le champ magnétique exercé par un aimant naturel peut être visualisé en saupoudrant de limaille de fer, une plaque posée au-dessus d’un barreau de magnétite (Fe3 O4 ). Les grains de limaille s’orientent suivant les lignes de champ. Barreau de magnétite (Fe3O4)

D SEC 3078 A

Grains de limaille orientés suivant les lignes de champ

• Électroaimants La même observation peut être faite en substituant l’aimant naturel par un fil conducteur bobiné parcouru par un courant électrique.

B

I

D SEC 3079 A

Ligne de champ créée par I

Bobine

La valeur du champ magnétique B sur l’axe de la bobine est proportionnelle au courant I et au nombre de spires par unité de longueur de bobine. Il est ainsi possible de régler la valeur du champ magnétique en jouant sur celle du courant électrique, alors que tout est figé avec un aimant naturel.

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17

C 5 -1/A

I

B1

I

B2

6 Spires

6 Spires

D SEC 3080 A

Pour un courant donné, le champ magnétique est plus fort si les spires de la bobine sont serrées plutôt qu’espacées.

B1 > B2

2-

INTERACTION ENTRE UN CHAMP MAGNÉTIQUE ET UN COURANT ÉLECTRIQUE • Expérience n°1

D SEC 3081 A

Déplacement de l'aimant

Bobine fermée

Si un aimant se déplace par rapport à la bobine fermée, ou si la bobine se déplace par rapport à l’aimant, il apparaît un courant électrique dans la bobine. Ce courant disparaît si le mouvement relatif s’arrête. Le courant change de sens si le mouvement change de sens. Donc une bobine fermée se déplaçant dans un champ magnétique se voit parcourue par un courant électrique appelé “courant induit”. Ce phénomène est utilisé dans les moteurs électriques. • Expérience n°2 – Si deux aimants sont rapprochés, une force apparaît : répulsive si les pôles sont de même nom (Nord ou Sud) attractive si les pôles sont de noms contraires

S

N

N

S

N

S

S

N

N

S

N

S

S

N

S

N

D SEC 3082 A

-

02466_A_F

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18

C 5 -1/A

– Si un conducteur parcouru par un courant est placé dans un champ magnétique, une force apparaît sur le conducteur, perpendiculaire au plan contenant le conducteur et le champ magnétique. F Plan B

D SEC 3083 A

α

I, B

I

– Si deux conducteurs parallèles sont parcourus par des courants, une force apparaît sur ces conducteurs : répulsive si les courants sont dans le même sens attractive si les courants sont en sens inverse

I1 F

I2

I1 F F

F I2

D SEC 3084 A

-

Ces trois exemples montrent que deux champs magnétiques ou électromagnétiques en interaction créent des forces : elles sont utilisées pour faire tourner les moteurs électriques ou actionner des relais. Résumé : interaction champ magnétique - courant électrique – Induction : un courant électrique induit apparaît quand une bobine se déplace dans un champ magnétique, ou, ce qui revient au même, quand le champ magnétique varie. – Force : un courant électrique en interaction avec un champ magnétique crée une force “électromagnétique” qui peut être utilisée pour provoquer un mouvement. Un moyen de créer un champ magnétique variable est d’utiliser du courant alternatif.

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19

II -

C 5 -1/A

CRÉATION D’UNE TENSION ALTERNATIVE L’électroaimant tournant avec le rotor, crée un champ magnétique tournant qui crée à son tour une tension alternative aux bornes du bobinage statorique. Le rotor est ici entraîné par une machine motrice : turbine à vapeur, turbine à gaz ou moteur Diesel par exemple.

B N

1

V V

B

2

S

E

Ligne de champ magnétique

2

D T 2129 A

E

1

Alternateur monophasé à 2 pôles

La tension induite aux bornes de la spire 1-2 prend l’allure suivante :

Tension

u (t)

+ Umax T/2

U (0) =0

T

t

S 1

S

N

21

N 21

N

N

S

21

2

Position du rotor

S

02466_A_F

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D SEC 3085 A

– Umax

20

C 5 -1/A

La courbe u (t) est sinusoïde, caractérisée par les points suivants : - période (T) en secondes : c’est le temps nécessaire au pôle Nord, par exemple, pour faire 1 tour - fréquence (f) en Hertz : c’est le nombre de périodes par seconde 1 Hertz (symbole Hz) =

1 = s–1 sec

En Europe, la fréquence du courant industriel est 50 Hz. Elle est de 60 Hz aux USA. Note : influence du nombre de pôles. L’alternateur vu ci-dessus possède 1 paire de pôles (1 Nord + 1 Sud). Pour faire du 50 Hz, il doit tourner à 50 × 60 (sec/min) = 3000 tr/min. Un alternateur à 4 pôles (2 paires de pôles) doit tourner à Pour 6 pôles (3 paires) ce sera

50 × 60 = 1500 tr/min. 2

50 × 60 = 1000 tr/min, et ainsi de suite. 3

4

N

S 1

3

N

S

Alternateur à 4 pôles - 2 pôles Nord - 2 pôles Sud

Alternateur monophasé à 4 pôles

D T 2129 C

2

- pulsation (ω = oméga) en radians/seconde : elle est définie par la relation ω = 2 πf. La pulsation correspond à la fréquence mais en utilisant le radian/seconde plutôt que le tour/seconde, sachant que 1 tour = 2 π radiants - phase : la courbe de tension peut aussi se représenter en fonction de l’angle de rotation du pôle Nord, à partir d’une origine choisie arbitrairement. C’est aussi une sinusoïde. Cet angle s’appelle la phase (ϕ = phi) en radians.

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21

C 5 -1/A

u ( ϕ) + Umax

Phase ϕ (radians)

A 0

U (0) =0

π/2

ϕ

3π/2

2π

S

N 2

1

S S π/2 1

Position du rotor

π2

1

NN 2

1

N

S

3π/2

D SEC 3086 A

– Umax

2

Un point quelconque A a une phase ϕ par rapport à l’origine choisie (ici : quand u = 0 en étant croissante).

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22

C 5 -1/A

III - COURANT ALTERNATIF DANS UNE RÉSISTANCE - LOI D’OHM - EXPRESSION DE LA PUISSANCE 1-

LOI D’OHM AUX BORNES D’UNE RÉSISTANCE Branchée à la sortie d’un alternateur produisant une tension u (t), une résistance R est parcourue par un courant d’intensité i (t). Tension et intensité du courant sont variables dans le temps, u (t) et i (t) sont les valeurs instantanées de ces grandeurs. Elles sont symbolisées par des lettres minuscules.

i (t)

À chaque instant, u (t) et i (t) sont liés par :

R D SEC 3087 A

u (t)

u (t) = R . i (t)

Loi d’Ohm

Tension et courant passent par leur maximum en même temps : on dit qu’ils sont en phase.

+ Umax + Imax T/2

T

t D SEC 3088 A

U (0) =0 – Imax – Umax

2-

PUISSANCE DISSIPÉE DANS UNE RÉSISTANCE À chaque instant, la puissance dissipée s’exprime par : p (t) = u (t) . i (t) La puissance n’est donc pas constante mais a toujours une valeur positive : une résistance consomme toujours de la puissance.

Pmax 2 t 0

T/4

T/2

T3/4

T

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D SEC 3089 A

Pmax

23

C 5 -1/A

L’énergie dissipée au cours d’une période est représentée par l’aire comprise entre la courbe p (t) et l’axe des abscisses. En remarquant l’égalité des aires hachurées, cette énergie correspond à celle qu’aurait dissipée une puissance constante égale à Pmax/2. La valeur moyenne P de la puissance est donc : 2

2

Pmax Umax . Imax Umax R . Imax = = = P = 2 2 2R 2 Afin de conserver la formulation utilisée en courant continu (P = U . I) on fait appel à la notion de valeur efficace I du courant et U de la tension. Ces valeurs efficaces I et U sont celles qui en courant continu produiraient la même dissipation de puissance dans la résistance R. Elles sont symbolisées par des lettres majuscules. Les valeurs efficaces U et I se déterminent facilement. En effet : 2

P =

Umax 2R

=

U2 R

d’où

U =

= R . I2

d’où

I =

2

P =

R . Imax 2

U max

2 √ I max

2 √

Les valeurs efficaces U et I sont bien sûr liées par la relation : U = R.I qui est la loi d’Ohm, appliquée ici aux valeurs efficaces de la tension et du courant.

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24

C 5 -1/A

IV - COURANT ALTERNATIF DANS UN BOBINAGE (SELF) 1-

ÉVOLUTIONS DU COURANT ET DE LA TENSION Les évolutions du courant et de la tension sont représentées ci-dessous.

u Pmax

T3/4

T/2

T/4

0

t

T

D SEC 3090 A

u (0) = 0

i

i (0) = – I 2

On constante que le courant est en retard sur la tension de T/4 puisqu’il passe par sa valeur maximale T/4 secondes après que la tension ait passé la sienne. Exprimé en terme de phase, le courant est “déphasé” de ϕ =

2-

π en retard, par rapport à la tension. 2

PUISSANCE DANS UNE SELF L’évolution de la puissance p (t) = u (t) . i (t) est représentée ci-dessous.

p (t) = u (t). i (t) Pmax T/2

T3/4

T

t D SEC 3091 A

T/4

La puissance p (t) est nulle quand u (t) ou i (t) est nul. Elle est positive quand i (t) et u (t) sont de même signe, négative quand leurs signes sont opposés. La puissance moyenne est nulle : la self est successivement réceptrice puis génératrice et ceci à chaque période.

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25

V-

C 5 -1/A

COURANT ALTERNATIF DANS UN CONDENSATEUR 1-

ÉVOLUTION DU COURANT ET DE LA TENSION Si on applique une tension u (t) alternative aux bornes d’un condensateur C, on constate l’établissement d’un courant alternatif d’intensité (t) dont l’évolution dans le temps est représentée cidessous. u (t)

Umax i (0) = Imax T/4

T/2

t

T

D SEC 3092 A

u(0)= 0

On constate que l’intensité du courant passe par son maximum T/4 secondes avant que la tension passe par le sien. On dit que le courant est en avance sur la tension. π Exprimé en terme de phase, le courant est “déphasé” de ϕ = , en avance, par rapport à la tension. 2 Ce comportement du condensateur peut être analysé en distinguant deux phases : - 1ère phase : intensité du courant positive Le condensateur se charge et la tension u (t) croît de – Umax à + Umax i (t)

i (t)

+Q

+Q

0

–Q u (t) = –Umax

u (t) = 0

0

u (t) = +Umax

–Q

D SEC 3093 A

i (t)

La charge Q du condensateur est égale à Q = C . Umax - 2ème phase : intensité du courant négative Le condensateur se décharge et la tension u (t) décroît de + Umax à – Umax. Sur les schémas ci-dessous le sens de la flèche indique le sens réel du courant.

u (t) = +Umax

i (t)

–Q +Q

i (t)

–Q

0 u (t) = 0

0

u (t) = –Umax

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+Q

D SEC 3093 B

i (t)

26

2-

C 5 -1/A

PUISSANCE L’évolution de la puissance p (t) = u (t) . i (t) est représentée ci-après.

p (t)

T/4

T/2

T

t D SEC 3094 A

0

La puissance p (t) est nulle quand i (t) ou u (t) est nul. Elle est positive quand u et i sont de même signe : le condensateur est récepteur. Elle est négative quand u et i sont de signes opposés : le condensateur est générateur. La puissance moyenne est nulle : le condensateur restitue, quand il est générateur l’énergie accumulée quand il est récepteur.

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27

C 5 -1/A

VI - COURANT ALTERNATIF DANS UN RÉCEPTEUR QUELCONQUE 1-

ÉVOLUTIONS DE L’INTENSITÉ ET DE LA TENSION La plupart des récepteurs industriels sont des moteurs. La présence de bobinage conduit à les ranger parmi les récepteurs selfiques. Leur résistance n’étant cependant pas négligeable, leur comportement est intermédiaire entre celui d’une self et celui d’une résistance. Il s’ensuit que les évolutions de la tension ou du courant sont telles que représenté ci-dessous.

u i

t

0 D SEC 3095 A

ϕ

t0 = ω

Comme dans le cas d’une self, le courant est en retard sur la tension mais d’un temps to compris entre 0 et T/4 secondes. π En appelant ϕ, le déphasage de i par rapport à u  o < ϕ < , la puissance dissipée s’exprime en 2 fonction des valeurs efficaces du courant et de la tension par : P = U . I . cos ϕ

avec P en watt

Le cos ϕ est appelé facteur de puissance du récepteur, c’est une sorte de rendement électrique : il représente la proportion réellement utilisée du courant ou de la puissance transitant dans l’installation. Le reste ne fait qu’encombrer la ligne électrique et l’échauffe en pure perte.

02466_A_F

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28

C 5 -1/A

Application L’importance du facteur de puissance peut être mise en évidence par les deux exemples de moteurs suivants : -

moteur 1 : P = 30 kW u = 380 V cos ϕ = 0,8

-

moteur 2 : P = 30 kW u = 380 V cos ϕ = 0,5

L’intensité du courant dans chacun des moteurs est : I =

P U . cos ϕ

Moteur 1 I1 =

Moteur 2 = A

I2 =

= A

L’intensité du courant appelé par le deuxième moteur est nettement plus importante que celle du premier. Les lignes de transport du courant présentent une résistance R. Les pertes par effet Joule dans le transport s’expriment par R. I2 . On comprend alors pourquoi le fournisseur d’électricité pénalise l’utilisateur qui présente un “mauvais” facteur de puissance (cos ϕ trop faible). En France, l’EdF facture la puissance “réactive” (exprimée en kVar, par simple commodité car c’est en fait la même unité que le kW) aux clients quand elle représente plus de 40 % de la puissance “active” consommée. C’est une façon de pousser les utilisateurs à maintenir un cos ϕ > 0,9 afin de ne pas encombrer inutilement le réseau EdF.

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29

2-

C 5 -1/A

NOTION D’IMPÉDANCE Pour un récepteur soumis à une tension sinusoïdale, l’impédance Z est définie comme le rapport de la tension efficace U à l’intensité efficace I. Z =

U I

s’exprime en Ohm comme si c’était une résistance

L’impédance est une fonction compliquée s’exprimant en terme de résistance, inductance (pour une self), capacitance (pour un condensateur), mais est d’une utilisation très pratique puisqu’elle suit, par définition la loi très simple : U = Z.I

qui est la loi d’Ohm “généralisée”

rappelant la loi de base U = R . I pour le cas d’un récepteur purement résistif. L’impédance d’un récepteur dépend de la fréquence du courant qui le traverse. Par exemple, l’impédance d’un moteur électrique varie fortement avec sa vitesse de rotation. Elle est très faible à l’arrêt ce qui explique la forte pointe de courant au démarrage. Heureusement, cette impédance augmente dès que le moteur accélère, ce qui fait redescende l’intensité du courant absorbé.

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30

C 5 -1/A

VII - LE TRIPHASÉ 1-

GÉNÉRATEUR DE TENSIONS TRIPHASÉES En reprenant l’alternateur présenté précédemment et en bobinant deux autres spires décalées de 120 degrés par rapport à celle qui existait, on recueille trois tensions v1, v 2 et v3 .

60°

60° 2'

3 2' V2

N

1

1

3

1' V3

3' 60°

1'

2

3'

D T 2129 B

S

V1

2

Alternateur triphasé

Le passage du pôle Nord du rotor devant le conducteur 2 a lieu T/3 secondes plus tard que devant le conducteur 1, T étant la période de rotation du rotor. Il en résulte que le maximum de la tension v2 est obtenu T/3 secondes après celui de v1 et T/3 secondes avant celui de v3 . Les évolutions des tensions v1 , v 2 et v3 sont représentées sur le schéma suivant.

+ Vmax

v2 0

T

v3

D SEC 3096 A

t

v1

– Vmax T/3

T/3

T/3

Le triphasé est l’alimentation électrique la plus répandue dans l’industrie car elle permet de transiter des puissances plus élevées que le monophasé, à volume égal de métal conducteur. De plus, son utilisation simplifie beaucoup le problème de démarrage des moteurs électriques, grâce au phénomène de “champ statorique tournant” qui est décrit lors de l’étude des moteurs électriques. 02466_A_F

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31

2-

C 5 -1/A

TENSIONS SIMPLES - TENSIONS COMPOSÉES Pour recueillir les trois tensions v1 , v2 et v3 , il faut disposer sur l’alternateur de six bornes notées traditionnellement u, v, w et x, y, z.

v

3 enroulements décalés de 2π = 120° 3 sur le stator

w

z

x

D SEC 3097 A

u

y

Afin de réduire le nombre de fils sortant de l’alternateur on utilise deux montages de ces bornes. a - Montage étoile Les bornes u, v et w, reliées entre elles par des barrettes, sont au même potentiel (neutre). v

w

z

x

y

3

1

2

N

Phases

Neutre

D T 1632 E

u

Les tensions V1, V 2 et V 3 entre phases et neutre sont dites tensions simples. Les tensions U 1 , U2 et U 3 entre phases sont dites tensions composées. Le schéma ci-après précise la signification de ces tensions. I1

x

v2

z

J1

J2 U3

Neutre

u v w

U2

Phases

J3 I2 v3

y

I3

2 3

U1

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D T 1632 F

v1

1

32

C 5 -1/A

Dans un montage étoile, la relation entre tensions composés et tensions simples est : U = √ 3 × V b - Montage triangle Les bornes à la sortie de l’alternateur sont reliées deux à deux suivant le montage ci-dessous.

v

z

w

y

x

1

3

D T 1632 C

u

2

Phases

Les tensions aux bornes de chaque enroulement sont dans ce montage les tensions entre phases comme le montre le schéma suivant.

I1

x v v3

J2

J3

v2

1 U3

y w

z J1 v1

I2

I3

U2

2 U1 3

Phases D T 1632 D

u

Dans le montage triangle, les tensions composées et les tensions simples sont égales : U = V. Par contre, la relation entre les courants I dans les phases et les courants J dans les bobinages est alors : I =  √3 × J.

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33

3-

C 5 -1/A

UTILITÉ DU FIL NEUTRE Sur un alternateur comportant trois fils de sortie (montage triangle ou montage étoile sans neutre sortie) comme représenté ci-contre, les courants débités sont tels qu’à chaque instant : i1 + i 2 + i 3 = 0 i1 Alternateur

2

i3

Phases

3

D SEC 3098 A

1

i2

Nota : i1 , i2 , i3 sont en valeurs algébriques, c’est-à-dire, par exemple, positifs s’ils sont entrants et négatifs s’ils sont sortants. Dans le cas d’un montage étoile avec fil neutre sorti et avec un récepteur également monté en étoile, le fil neutre assure le retour de la somme des intensités i 1 = i2 = i3 . Cette somme n’est pas nulle dans le cas d’un récepteur déséquilibré (R1 ≠ R2 ≠ R 3 ).

Phase 1 i1 R1 N

N' R3 R2

Phase 3 i3 Neutre i1 + i2 + i3

D SEC 3099 A

Phase 2 i2

De plus, avec un montage comme celui-ci, le potentiel de N’ est assurément égal à celui de N. Dans le cas où le neutre est mis à la terre, le potentiel de N’ est nul.

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34

4-

C 5 -1/A

PUISSANCE CONSOMMÉE PAR UN RÉCEPTEUR TRIPHASÉ Comme il a été vu précédemment, la puissance absorbée par un récepteur monophasé provoquant un déphasage ϕ entre le courant J qui le traverse sous une tension V à ses bornes est : P1 = V . J . cos ϕ Pour un montage triphasé, la puissance totale est 3 fois la puissance absorbée par chaque phase : P = 3 . P1 = 3 V J cos ϕ Les valeurs mesurées en pratique sont les courants et tensions du réseau alimentant le récepteur, I et U respectivement. • Montage étoile U = √ 3 V I = J donc

Pλ = 3 ×

U × I cos ϕ = √ 3 U I cos ϕ 3 √

• Montage triangle U = √ 3 V donc

P∆ = 3 × U ×

I

3 √

× cos ϕ = √ 3 U I cos ϕ

L’expression de la puissance est la même dans les deux montages :

√3 U I cos ϕ P =  Mais les valeurs des courants absorbés sont différentes et le calcul montre que Pλ =

1 P . 3 ∆

Pour un récepteur alimenté par un réseau déterminé (triphasé 380 V, par exemple), la puissance absorbée lorsqu’il est branché en étoile est le tiers de celle qu’il absorbe lorsqu’il est branché en triangle. Ceci est utilisé pour le démarrage de certains moteurs.

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35

Application Intérêt d’élever la tension et d’utiliser un réseau triphasé plutôt que monophasé. Soit un moteur 15 kW, dont le cos ϕ = 0,8 et dont le rendement mécanique est supposé parfait. Calculer le courant d’alimentation de ce moteur, dans les trois cas suivants : -

alimentation monophasée 220 V

-

alimentation triphasée 220 V

-

alimentation triphasée 380 V

Conclusion

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C 5 -1/A

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE INDUSTRIELLE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

A - PRINCIPE DE LA DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE D'USINE

I - BUTS ET CONTRAINTES......................................................................................................... 1 1 - But de la distribution électrique .................................................................................................... 1 2 - Contraintes techniques.................................................................................................................1

II - CONSTITUTION D’UNE INSTALLATION ÉLECTRIQUE ......................................................... 2 1 - Génération ...................................................................................................................................2 2 - Distribution ...................................................................................................................................3 3 - Consommateurs électriques.........................................................................................................3

III - CHOIX DU RÉGIME DU NEUTRE ............................................................................................ 4

B - GÉNÉRATION

I - RÉSEAU PUBLIC ...................................................................................................................... 7 1 - Raccordement simple antenne.....................................................................................................7 2 - Raccordements double antenne .................................................................................................. 8

II - PRODUCTION LOCALE D’ÉLECTRICITÉ ............................................................................... 9 1 - L'alternateur .................................................................................................................................9 2 - Fonctionnement de l'alternateur couplé au réseau public .......................................................... 12 3 - Procédure de couplage d'un alternateur sur le réseau .............................................................. 13

III - ALIMENTATIONS AUXILIAIRES ............................................................................................ 15 1 - Alimentations à courant continu .................................................................................................15 2 - Alimentations à courant alternatif ...............................................................................................16

ME RES - 02468_A_F - Rév. 2

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27/06/2005

-1/C

II

C 5 -1/C

C - DISTRIBUTION

I - LES TRANSFORMATEURS ET LEUR PROTECTION INTERNE .......................................... 18 1 2 3 4

-

Description .................................................................................................................................18 Caractéristiques .........................................................................................................................18 Propriétés ...................................................................................................................................19 Protections internes ...................................................................................................................20

II - TABLEAUX HAUTE TENSION................................................................................................ 20 1 2 3 4

-

Constitution ................................................................................................................................ 20 Description .................................................................................................................................20 Relais de protection ...................................................................................................................21 Transformateurs de mesures .....................................................................................................22

III - TABLEAUX BASSE TENSION ................................................................................................ 24 1 - Construction ...............................................................................................................................24 2 - Description .................................................................................................................................24

IV - LIAISONS PAR CÂBLE ........................................................................................................... 26 1 - Constitution d'un câble ...............................................................................................................26 2 - Comportement au feu.................................................................................................................28

V - APPAREILS DE COMMANDE ET DE PROTECTION ............................................................ 29 1 2 3 4 5 6

-

Appareils de puissance .............................................................................................................. 29 Sectionneurs .............................................................................................................................. 30 Interrupteurs ...............................................................................................................................31 Disjoncteurs ...............................................................................................................................32 Contacteurs ................................................................................................................................ 33 Coupe-circuits à fusibles ............................................................................................................ 34

VI - RELAIS DE PROTECTION ..................................................................................................... 35

02468_A_F

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1

C 5 -1/C

A - PRINCIPE DE LA DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE D'USINE

I-

BUTS ET CONTRAINTES 1-

BUT DE LA DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE Le but de l’installation de distribution électrique est d’alimenter en énergie l’ensemble des récepteurs électriques de l’usine ou de la plate-forme, en répondant aux critères suivants : -

2-

elle doit assurer la continuité de fonctionnement des installations, en réduisant au mieux les coupures de courant elle doit respecter la sécurité des personnes et des biens elle doit permettre la maintenabilité des matériels, en autorisant des coupures et des isolements partiels et sélectifs de portions de l’installation elle doit pouvoir évoluer pour suivre les développements de l’entreprise.

CONTRAINTES TECHNIQUES Pour atteindre son but, le réseau de distribution électrique doit tenir compte de contraintes techniques qui ne sont pas les mêmes partout dans l’usine : ateliers de production, ateliers de réparation, bureaux, salles d’ordinateurs, locaux sociaux, etc. n’ont pas les mêmes exigences. Ces contraintes techniques peuvent être classées en quatre familles principales. a - Environnement : Public concerné : présence de public non spécialisé, de personnel connaissant l’installation, de personnel habilité seulement, … Ambiance : -

conditions climatiques sèches, humides, vents, neige, chaleur, etc. pollutions : poussières, risques d’incendie, d’explosion, risques chimiques, vibrations, etc.

b - Récepteurs Les principaux types de récepteurs sont : les moteurs, les fours, les chaudières, l’éclairage, le chauffage, les équipements électroniques, etc. Les récepteurs ont chacun leurs exigences en matière de puissance consommée, de sensibilité aux perturbations électriques. Leur répartition géographique n’est pas uniforme. Certains provoquent euxmêmes des perturbations sur le réseau. Certains sont vitaux, d’autres essentiels, d’autres secondaires : leur alimentation électrique, secourue ou non, sans coupure ou non, en dépend. Ils ne fonctionnent pas tous en même temps, leur charge est variable. L’alimentation électrique d’une usine est toujours d’une puissance inférieure au total des puissances unitaires, souvent jusque vers 50 %.

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2

C 5 -1/C

c - Réseau source Le réseau électrique de l’usine est alimenté à partir d’un point de livraison : poste EdF en général (en France), mais aussi groupe électrogène ou centrale privée dans les installations isolées comme les plates-formes en mer ou éloignées de tout distributeur. Le point de livraison possède ses caractéristiques propres : tension, puissance disponible, stabilité de la tension, de la fréquence, sujet ou pas à des coupures ou microcoupures (quelques dixièmes de seconde), présence ou non d’une ligne de secours. d - Réglementation La réglementation, qui vise essentiellement à s’assurer que l’installation représente le moins de risques possibles pour l’homme et son environnement, se traduit par des lois, décrets, normes qui sont autant de contraintes complémentaires. Ainsi, bien que les grands principes de la distribution électrique soient les mêmes pour tous, les contraintes locales font que chaque installation est unique. La suite de ce document présente les principes généraux d’un réseau électrique d’usine ou de plate-forme.

II -

CONSTITUTION D’UNE INSTALLATION ÉLECTRIQUE Une installation électrique comprend 3 parties : (voir schéma en annexe)

1-

-

la génération qui a pour but de fournir à l’usine le courant électrique dont elle a besoin

-

la distribution qui assure la répartition, de l’énergie électrique, la transformation en une tension utilisable pour les consommateurs, la commande de la mise sous/hors tension (rôle de l’appareillage)

-

les consommateurs qui utilisent cette énergie électrique

GÉNÉRATION Elle se fait, en général, par une combinaison d’un réseau public (EdF en France) et d'une centrale privée. L’alimentation de l’usine est définie par la tension d’alimentation U, la fréquence F et la puissance P que peut fournir la génération d’électricité. Le choix entre centrale privée ou réseau public dépend de contingences locales (disponibilité du réseau local, sa capacité, eau de refroidissement disponible) de la tarification locale de l’énergie électrique. La génération comprend : -

la génération normale d’énergie Elle provient du réseau public et/ou de la Centrale de Production de l’usine. Elle assure l’alimentation en temps normal de l’usine.

-

la génération de secours d’énergie Elle provient de la Centrale de Secours comprenant la plupart du temps un seul groupe de secours. Elle assure pendant une durée déterminée l’alimentation des consommateurs dits prioritaires ou essentiels et dont l’arrêt brutal serait dangereux pour les matériels

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-

C 5 -1/C

la génération des sources de “sécurité” Elle provient généralement de batteries, plus rarement de groupes tournants. Elle assure pendant une durée déterminée l’alimentation des consommateurs généralement de faible puissance relevant de la sécurité des personnes (alarme incendie, éclairage d’évacuation, éventuellement des équipements process vitaux, …).

2-

DISTRIBUTION La distribution peut se définir comme l’ensemble des moyens permettant de transporter l’énergie électrique depuis les sources (transformateur, alternateur) jusqu’aux récepteurs. Il faut tenir compte des distances et des puissances à transiter. Ces moyens comprennent : -

des liaisons (en câbles ou gaines à barres) des transformateurs destinés à adapter la tension entre celle des sources et celle des consommateurs (transformation en un ou plusieurs niveaux) de l’appareillage assurant les fonctions de coupure de protection la conception d’un réseau (son architecture) est toujours tributaire de contraintes contradictoires : l’économie conduit à -

la simplicité du réseau (structure du réseau en simple antenne au lieu de double antenne ou en boucle, …) une faible redondance (par exemple 1 seul transformateur d’alimentation assurant toute la charge)

la sécurité de fonctionnement conduit à : -

une structure de réseau plus complexe (distribution double antenne, tableau à double jeu de barre, …) une forte redondance (par exemple 2 transformateurs en parallèle dont un seul fonctionne en temps normal) des alimentations de secours (groupe tournant batteries/onduleurs. Les ensembles batteries chargeurs et onduleurs pouvant être eux-mêmes composés d’éléments doublés en parallèle.

Par voie de conséquence, de telles dispositions amènent à obtenir une forte puissance de court-circuit, rendant l’appareillage plus coûteux, mais réduisant les chutes de tension notamment lors du démarrage de gros moteurs. -

3-

La solution sera un compromis entre un coût acceptable pour une sécurité de fonctionnement acceptable.

CONSOMMATEURS ÉLECTRIQUES Ce sont les récepteurs d’énergie électrique : moteurs, lampes d'éclairage, prises de courant, résistances de réchauffage, alimentations de redresseurs et onduleurs (thyristors). Un consommateur est électriquement défini par sa nature, sa puissance P (kW), son facteur de puissance cos ø, son coefficient d’utilisation, son rendement, sa tension .

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C 5 -1/C

III - CHOIX DU RÉGIME DU NEUTRE Le régime du neutre d’une installation BT est caractérisé par la “position” du point neutre du secondaire du transformateur HT/BT par rapport à la terre. On définit de la même façon un régime du neutre dans une installation HT. Le régime du neutre joue un rôle très important en cas de défaut. Le régime choisi conditionne les mesures de protection des personnes contre les contacts indirects, la continuité de service de l’installation et les contraintes de surintensité ou de surtension sur le matériel. • Contact indirect C’est le contact d’une personne avec une masse accidentellement mise sous tension à la suite d’un défaut d’isolement. • Contact direct Défaut d'isolement 123N

C’est le contact d’une personne avec une partie active normalement sous tension d’un matériel électrique (phase et neutre). D T 2124 A

Jeu de barres

Lors d’un défaut d’isolement, ou de mise accidentelle d’une phase à la terre, les valeurs prises par les courants, les tensions de contact et les surtensions sont liées au mode de raccordement du neutre à la terre. Les tensions limites de contact UL sont : (UL = Rh x I) où Rh est la résistance du corps humain au passage d’un courant électrique I. Elle dépend de nombreux facteurs dont l’épaisseur de la peau et de son humidité. Les tensions limites admises sont : U L = 2000 x 25 mA = 50 V U L = 1000 x 25 mA = 25 V U L = 500 x 25 mA = 12 V

en milieu sec en milieu humide en milieu très humide/immergé

Par ailleurs, l’importance des dommages que subissent certains équipements (moteurs, alternateurs) dépend également du régime du neutre. La législation (protection des travailleurs - décret du 14/11/88) prévoit plusieurs dispositions.

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C 5 -1/C

a - Neutre à la terre direct Un défaut d’isolement provoque l’élévation du potentiel Ud de la masse à une valeur dangereuse pour les personnes ; la législation impose le déclenchement au 1er défaut. Par ailleurs, le courant de défaut peut n’être pas suffisant pour être détecté par les dispositifs de protection contre les surintensités (fusibles, disjoncteurs) le déclenchement est obtenu par un dispositif différentiel résiduel agissant sur un appareil de coupure. HT / 380 V

x x x x

1 2 3 N

x x x x

R A = résistance de la prise de terre des masses d’utilisation R n = résistance de la prise de terre du neutre

Ud Rn : 10 Ω

Prise de terre des masses d'utilisation RA : 20 Ω

D T 2146 A

Prise de terre du neutre

Id =

V 220 V = = 7,1 A RA + Rn 30

Ud = Ra.Id = 142 V Potentiel dangereux

Conséquences d'un défaut d'isolement dans une installation en schéma TT

L’obligation de couper au 1er défaut entraîne des coupures fréquentes notamment sur les installations BT, là où la probabilité de défaut est la plus grande.

b - Neutre à la terre par impédance (ZCT sur la figure) Au premier défaut, il y a circulation d’un faible courant qui ne peut générer une tension de contact dangereuse donc la loi exige une alarme au 1er défaut (signalisation). Au défaut double, la tension de contact peut être dangereuse, le déclenchement est alors obligatoire. Pour éviter un déclenchement au deuxième défaut, la recherche et l’élimination du premier défaut est impérative d’où l’installation de contrôleur d’isolement et de dispositif de recherche sous tension afin d’assurer le maximum de continuité de service. Un tel système est plus onéreux que le précédent.

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C 5 -1/C

En HT le déclenchement est obligatoire au 1er défaut sauf cas particulier.

HT / 380 V

x x x

x x x

B

Zct A

ld

Uc

Concéquences d'un 1er défaut d'isolement en schéma IT ZCT est de l'ordre de 3500 Ω Id =

V Z CT

Id =

220 = 62 mA 3500

D T 2145 A

Rn=1OΩ

La tension de contact apparaissant entre deux masses métalliques simultanément accessibles vaut : U c = VAB = RAB Id R AB varie selon les cas de quelques mΩ au maximum. En prenant un cas extrême par exemple RAB = 2 Ω. U c = 2 x 0,062 = 0,124 V ; Uc est absolument inoffensif. c - Neutre isolé Il n’y a pas de liaison volontaire entre le neutre et la terre. Mais en pratique, un réseau étendu comportant de nombreux câbles présente des courants de fuite à la terre. On se retrouve dans une situation voisine du neutre à la terre par impédance. d - Conclusion : le choix du régime du neutre. Le choix du régime du neutre d’une installation est du ressort de l’utilisateur sauf cas particuliers(abonné BT). C’est un problème délicat où les avis sont partagés même entre spécialistes. Aucun régime n’est le meilleur, chacun a son intérêt et ses inconvénients. Neutre à la terre direct : Simple, pas de surveillance en permanence de l’exploitation, coupure au 1er défaut, continuité de service moins bonne, courant de défaut élevé, dommages sur matériels importants, pas de surtension. Neutre impédant ou isolé : La meilleure continuité de service, coupure au 2ème défaut, personnel d'entretien qualifié, plus onéreux, faible courant de défaut, risque de surtension avec le neutre isolé, dommages réduits sur les matériels.

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C 5 -1/C

B - GÉNÉRATION I-

RÉSEAU PUBLIC Le réseau public est constitué d'une série de centrales et de sous-stations reliées entre elles par des lignes aériennes en haute-tension. Le réseau est maillé de façon à assurer la continuité de livraison en cas de problème sur une ligne.

Sous-station

Lignes aériennes SS4

SS1

D T 2148 A

SS3

SS2 Réseau public maillé (63 kV par exemple)

L’arrivée du réseau public est en haute tension (63 kV ou plus) dès que la puissance consommée par l’installation dépasse quelques mégawatt. Sa caractéristique principale est sa très grande stabilité en fréquence et bonne stabilité en tension, du moins dans les zones industrielles. Par contre, il peut être sujet à perturbations, microcoupures par exemple. En général, cette haute tension est transformée tout de suite en moyenne tension (20 kV ou 11 kV ou 5,5 kV) dans le Poste Livraison. L’alimentation de l’usine se fait soit "en antenne", c'est-à-dire à partir d'une seule sous-station, soit "en boucle", c'est-à-dire entre deux sous stations différentes. Les principaux types de raccordement sont présentés ci-dessous.

1-

RACCORDEMENT SIMPLE ANTENNE Simple antenne - Simple jeu de barres • •

Utilisable pour l’alimentation d’unités secondaires vis à vis de la production. Temps de coupure à envisager sur incident d’antenne : 24 à 48 heures Avantages :

D T 2111 F

• Coût minimal

x

Inconvénient • Source dépendante d’éléments en série la fiabilité ne peut être supérieure à celle de l’élément le moins fiable de l’antenne.

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C 5 -1/C

2 - RACCORDEMENTS DOUBLE ANTENNE Double antenne - Simple jeu de barres Si les antennes ne sont pas exploitées en parallèle, ce schéma permet le secours (avec coupure) d’une alimentation par l’autre : • •

automatiquement si l’interruption en doit pas dépasser 0,5 seconde à quelques secondes. manuellement si l’interruption de source peut être de 1 à 2 heures

Ce type de raccordement n’a de sens que dans la mesure où chaque antenne a la capacité totale du tableau. Avantages : • bonne fiabilité d’alimentation

x

D T 2111 B

Inconvénient

x

• tableau fonctionnant en tout ou rien sans possibilité de tronçonnement pour maintenance, extension, etc. • sur “incident tableau”, pas de fonctionnement partiel possible

Double antenne - Jeu de barres tronçonné Ce schéma permet d’effectuer des permutations de sources. Ces permutations peuvent être manuelles ou automatiques, avec pour objectif : • •

d’effectuer un changement de sources volontaire soit pour maintenance soit pour réaffectation des puissances sur le réseau d’assurer le secours d’une alimentation par l’autre sur incident d’antenne

x

x

D T 2111 C

Avantages • bonne fiabilité d’alimentation • souplesse d’utilisation et d’affectation de puissances • maintenance et extensions possibles avec fonctionnement partiel du tableau Inconvénients • solution plus coûteuse que les deux précédentes • ne permet qu’un fonctionnement partiel en cas de maintenance d’un tronçon de barres, à moins que chaque départ ne soit également doublé

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C 5 -1/C

Double antenne - Double jeu de barres D’une façon générale, ce type de raccordement coûteux trouve sa pleine justification lorsque le réseau est équipé de plusieurs sources autonomes permanentes pouvant ou non fonctionner couplées au réseau du distributeur. Avantages

x

x D T 2111 A

x

• bonne fiabilité d’alimentation • très grande souplesse d’utilisation : - pour l’affectation des sources et des charges - pour la maintenance sans gène de l’exploitation • possibilités de transfert de jeux de barres sans coupure. Inconvénients • surcoût important par rapport à une solution “simple jeu de barres”.

II -

PRODUCTION LOCALE D'ÉLECTRICITÉ L'usine comporte en général une "centrale" qui produit la vapeur nécessaire au process. Dans le but d'utiliser au mieux l'énergie de la vapeur, et de fiabiliser l'alimentation électrique de certains récepteurs vitaux, la centrale produit aussi de l'électricité dans des groupes turboalternateurs, dont les puissances peuvent aller jusqu'à 40 MW. La turbine, souvent à soutirage et à condensation, sert à la fois à la production de vapeur MP ou BP, par soutirage, à partir d'une détente de la vapeur HP et à la production d'électricité. Certaines usines possèdent, un ou plusieurs groupes électrogènes entraînés par diesel pour secourir des portions d'unités ou des récepteurs assurant la sécurité. Ils sont en général de puissance relativement modeste (500 à 3000 kW).

1-

L'ALTERNATEUR L'alternateur est une machine dite synchrone (elle doit tourner à une vitesse constante) dont le rotor est alimenté en courant continu par une machine annexe, appelée excitatrice. L’excitatrice est soit une machine à courant continu, souvent accouplée sur le même arbre que l’alternateur, soit un dispositif intégré permettant une excitation “sans balais”. Le réglage de la tension de sortie de l’alternateur se fait en l’excitant plus ou moins, c’est-à-dire en envoyant plus ou moins de courant continu au rotor. Le réglage de la puissance électrique fournie par l’alternateur se fait par le réglage de puissance que doit fournir la machine motrice (turbine ou Diesel) pour maintenir fixe la vitesse du groupe, c'est-à-dire la fréquence de la tension alternative.

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C 5 -1/C

L’électroaimant tournant avec le rotor, crée un champ magnétique tournant qui crée à son tour une tension alternative aux bornes du bobinage statorique.

B N

1

V V

B

2

S

E

Ligne de champ magnétique

2

D T 2129 A

E

1

Alternateur monophasé à 2 pôles

En reprenant l’alternateur présenté précédemment et en bobinant deux autres spires décalées de 120 degrés par rapport à celle qui existait, on recueille trois tensions v1, v 2 et v3.

60°

60° 2'

3 2' V2

N

1

1

3

1' 3'

60°

3'

D T 2129 B

S

V1 V3 1'

2 2

Alternateur triphasé

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C 5 -1/C

Le passage du pôle Nord du rotor devant le conducteur 2 a lieu T/3 secondes plus tard que devant le conducteur 1, T étant la période de rotation du rotor. Il en résulte que le maximum de la tension v2 est obtenu T/3 secondes après celui de v1 et T/3 secondes avant celui de v3. Les évolutions des tensions v1 , v 2 et v3 sont représentées sur le schéma suivant :

+ Vmax

v2 t

0

- Vmax

v1 T/3

T/3

T/3

RÉGULATEUR REDRESSEUR

D T 2112 A

v3

N

=

=

S

Excitateur

Redresseur

Roue polaire alternateur (à pôles saillants)

Excitation sans balais — Montage —

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D T 2150 A

N

12

1

2

=

C 5 -1/C 3

=

= courant continu

courant alternatif

1 - Alternateur principal 2 - Redresseur tournant

RÉGULATEUR

D T 2151 A

4

3 - Alternateur inverse 4 - Régulateur - redresseur

Excitation sans bagues ni balais d'un alternateur — Schéma de principe —

2-

FONCTIONNEMENT DE L'ALTERNATEUR COUPLÉ AU RÉSEAU PUBLIC La caractéristique du réseau public est d'être "rigide", c'est-à-dire à fréquence et tension quasi constantes. Un alternateur d'usine couplé à ce réseau est soumis à sa fréquence et à sa tension sous peine de "décrocher". — Augmenter le courant d'excitation au rotor ne fait pas monter la tension (l'alternateur est trop faible devant le réseau) mais augmente le cosinus phi, ou plus exactement la puissance réactive fournie par l'alternateur — Augmenter l'admission vapeur dans la turbine d'entraînement ne fait pas accélérer le groupe qui reste accroché au 50 Hz du réseau, mais augmente la "charge" de l'alternateur c'est-à-dire la puissance active qu'il fournit.

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3-

C 5 -1/C

PROCÉDURE DE COUPLAGE D'UN ALTERNATEUR SUR LE RÉSEAU Le couplage d'un alternateur sur un réseau peut être comparé à un crabotage en marche entre deux arbres de rotation. Le schéma de principe du montage à réaliser est le suivant :

V2

2

3

1'

2'

3'

V1

a

b

c N

G3

D T2152 A

V3

1

Les conditions à remplir pour opérer un couplage idéal sont : -

l'ordre de déroulement des trois tensions de l'alternateur doit être le même que celui du réseau (1' → 2' → 3' = 1 → 2 → 3)

-

la valeur de ces tensions doit être la même que celle des tensions du réseau la fréquence des tensions de l'alternateur (liée à sa vitesse de rotation) doit être la même que celle du réseau les phases des tensions correspondantes (1 et 1' par exemple) doivent coïncider

-

Le couplage est idéal quand les trois voltmètres V1 V2 V 3 indiquent zéro en permanence. Dans la réalité les deux dernières conditions ne sont jamais parfaitement respectées à cause de l'inertie du groupe tournant et de la précision de son contrôle en vitesse. Aussi, le couplage se fait avec un très léger glissement. Les voltmètres indiquent des tensions variant très lentement entre zéro et 2 x U réseau (phénomène de battement). La fermeture du disjoncteur de couplage doit se faire quand les voltmètres passent par zéro. L'alternateur s'accroche alors au réseau en provoquant "brutalement" le synchronisme entre les 50 Hz du réseau et la vitesse de rotation du groupe. Le choc est imperceptible si le glissement et le déphasage sont minimes. • Couplage automatique au synchronoscope Le synchronoscope est un appareil permettant de connaître la position de l'alternateur vis à vis du réseau, en indiquant le sens et l'ampleur du glissement au moyen d'une aiguille. L'appareil indique s'il faut accélérer ou ralentir et montre l'instant où les tensions alternateur et réseau sont en phase.

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C 5 -1/C

C'est un petit moteur asynchrone dont le stator est alimenté par le réseau et le rotor (bobiné) par l'alternateur. Le rotor tourne à la vitesse correspondant au décalage entre les fréquences alternateur/réseau. Il s'arrête donc quand il y a égalité. La position de l'aiguille solidaire du rotor indique le déphasage entre les tensions homologues, la position verticale supérieure signifiant concordance des phases.

Acc.

Ra

Vers réseau

Synchronoscope (ici triphasé)

D T 2153 A

l. Vers alternateur

Monté dans une installation entièrement automatique (synchrocoupleur) le synchronoscope peut donner l'ordre de fermeture du disjoncteur de couplage automatiquement. Cet ordre est envoyé une fraction de seconde avant la concordance des phases pour tenir compte de l'inertie du disjoncteur. Les synchronoscopes modernes sont maintenant entièrement électroniques.

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C 5 -1/C

III - ALIMENTATIONS AUXILIAIRES Ce terme regroupe les différentes alimentations autres que l'alimentation principale constituée du réseau public et des grands groupes alternateurs de la centrale de l'usine. Selon le but recherché, ce peuvent être des alimentations en courant continu ou en alternatif, temporaires ou permanentes, à basculement avec coupure ou sans coupure.

1-

ALIMENTATIONS À COURANT CONTINU Elles sont utilisées pour des sécurités, certains automatismes, les circuits de contrôle/commande du réseau électrique, l'alimentation du central téléphonique, … Elles sont constituées de batteries d'accumulateurs au plomb (2 V par élément) ou au cadmium-nickel (1,25 V par élément) et de leur chargeur. Les tensions habituelles sont 24 V, 48 V, 125 v. En régime permanent, le chargeur réinjecte de l'énergie électrique dans la batterie au rythme de la demande de courant continu. En utilisation secours, la batterie fournit l'énergie pendant la disparition de la tension du réseau, en se déchargeant. Il y a donc une autonomie limitée dépendant fortement, de façon non linéaire, de l'intensité du courant réclamé par le circuit aval. Au retour de la tension du réseau, la batterie est rechargée, en général en deux temps : -

recharge rapide, à fort courant, pour recouvrir rapidement l'essentiel de la capacité de la batterie

-

fin de charge lente, à faible courant, plus complète que la précédente, et préservant mieux l'intégrité de la batterie

La capacité d'une batterie décroît quand la température décroît, mais sa durée de vie décroît si la température augmente. La température idéale est d'environ 20°C. Une batterie au plomb dégage de l'hydrogène et de l'oxygène pouvant provoquer une explosion. Le local doit être aéré. Une batterie au plomb conserve une tension à peu près constante pendant sa décharge, mais ne supporte pas une décharge trop poussée sans se dégrader. Une batterie au cadmium-nickel supporte sans inconvénient une décharge profonde, mais voit sa tension chuter tout au long de son utilisation.

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C 5 -1/C +

utilisation courant continu

batterie

-

SECTEUR

Ensemble chargeur-batterie

x

D T 2113 A

SECTEUR x

utilisation C.C.

= redresseur chargeur

x

D T 2114 A

Batterie d'accumulateurs Schéma symbolique

2-

ALIMENTATIONS À COURANT ALTERNATIF Il s'agit ici des alimentations dites sans coupure, utilisées là où une défaillance du secteur peut conduire à d'importants dégâts matériels : certains régulateurs, les conduites centralisées, les ordinateurs, … Deux techniques sont utilisées : les groupes tournants de plus en plus remplacés par les alimentations statiques sans coupure, souvent appelées onduleurs. • Alimentations statiques sans coupure Elles sont constituées d'un ensemble batterie avec son chargeur, suivi d'un onduleur qui transforme le continu en alternatif à mêmes fréquence et tension que le réseau.

x

Réseau 1

x

=

Réseau 2

Redresseur chargeur

x =

Onduleur

Inverseur N/S statique

D T 2115 A

Batterie

Utilisation Alimentation statique sans coupure avec by-pass transitoire 02468_A_F

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17

C 5 -1/C

Principaux états de fonctionnement • Fonctionnement normal : secteur 1 présent L'énergie demandée par l'utilisation s'écoule à travers la chaîne redresseur-chargeur et l'onduleur. Le redresseur-chargeur fournit, de plus, un courant faible juste nécessaire au maintien en charge de la batterie ("floating"). courant redressé

Secteur 1

=

Utilisation

= Onduleur

D T 2116 A

redresseur chargeur Batterie • Fonctionnement sur batterie

Ce fonctionnement a lieu lorsque la tension secteur 1 disparaît ou sort des tolérances admissibles à l'entrée du redresseur-chargeur : ± 10 % en amplitude et ± 5 % en fréquence (valeurs courantes). La batterie d'accumulateurs prend alors instantanément le relais. Aucune perturbation notable n'apparaît sur la tension de sortie de l'onduleur. Dans le cas où l'alimentation fournie sa puissance nominale, la durée de cette période est limitée à la durée d'autonomie de la batterie. =

D T 2116 C

Utilisation

Ondulateur Batterie • Retour du secteur 1 : charge batterie

Lorsque la tension du secteur revient à l'intérieur des tolérances admissibles, le redresseur-chargeur alimente à nouveau l'onduleur et assure la recharge de la batterie. Le transfert batterie/redresseurchargeur s'effectue sans perturbation pour l'utilisation. = =

Batterie

Utilisation D T 2116 B

Secteur 1

• Surcharge sur l'utilisation En cas de pointe de courant transitoire, due à un démarrage de moteur par exemple, un inverseur statique bascule temporairement et sans coupure sur le réseau 2 pour éviter d'endommager l'alimentation statique. Ces basculements se font à chaque fois que la charge dépasse les possibilités de l'onduleur. Les alimentations statiques sans coupure sont en général réparties dans l'usine pour être proches des utilisateurs locaux. 02468_A_F

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C 5 -1/C

C - DISTRIBUTION La distribution est l'ensemble des équipements qui amènent le courant électrique vers les différents consommateurs, sous une tension adéquate. En général, l'arrivée EdF est en haute tension (HT = 63 kV ou plus), la distribution interne est en moyenne tension (MT = 20 kV, 11 kV, 5,5 kV) et l'utilisation des petites machines et l'éclairage est en basse tension (BT = 380 V ou 220 V).

I-

LES TRANSFORMATEURS ET LEUR PROTECTION INTERNE Ce sont des appareils qui modifient la tension. Ils peuvent être HT/MT, MT/BT, parfois HT/BT directement. Ils peuvent aussi bien abaisser ou augmenter la tension.

1-

DESCRIPTION Le transformateur de puissance comporte un circuit magnétique en tôle d’acier autour duquel sont bobinés les enroulements HT et BT ; l’ensemble est plongé dans une cuve contenant un diélectrique de refroidissement, de l'huile ou des PCB (en voie de disparition pour raisons écologiques). Certains transformateurs sont "à sec". La cuve comporte éventuellement des radiateurs rapportés avec parfois des motoventilateurs, les bornes de raccordements primaires et secondaires sont généralement sorties à la partie supérieure de la cuve (isolateurs porcelaine ou traversées embrochables). Un capot de protection éventuel peut être installé sur les bornes.

2-

CARACTÉRISTIQUES Un transformateur de puissance est caractérisé par : • • •

sa puissance en KVA ou en MVA le rapport des tensions U1 / U2 (réversible) sa tension de court-circuit ucc (en % de la tension nominale)

Un transformateur peut être considéré comme la source de l'énergie électrique du réseau qui lui est connecté en aval. C'est en effet lui qui détermine la tension et le courant maximum qui peut être tiré de ce réseau. Il n'est pas maître de la fréquence. Le transformateur joue aussi un rôle fondamental en cas de court-circuit : il limite le courant qui peut apparaître lors d'un court-circuit sur le réseau aval à une valeur maximum égale à ucc x I2n où I2n est le courant nominal du secondaire du transformateur. Exemple : un transformateur 225/20 kV de 15 MVA dont le courant nominal est I 2n = 430 A côté 20 430 = 3070 A sur le jeu de barres 20 kV, kV, ayant un ucc = 14 % limite le courant de court-circuit à 0,14 alors qu'il peut être beaucoup plus élevé du côté 225 kV. Le transformateur modère donc la gravité d'un court-circuit aval. Le coût des équipements de protection avals en est réduit d'autant.

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3-

C 5 -1/C

PROPRIÉTÉS • • • •

excellent rendement (98 à plus de 99 %) peu d’entretien fiable absorbe très bien les surcharges (20 % pendant 1 heure, 100 % pendant 2 minutes)

BT HT 1

2

3

Enroulement secondaire

Noyaux

Schéma d'un transformateur triphasé

D MEQ 1363 A

Représentation symbolique (transformateur monophasé)

Transformateur en cabine 160 kVA

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D T 2166 A

Enroulement primaire

20

4-

C 5 -1/C

PROTECTIONS INTERNES Un transformateur à huile ou à PCB est en général surveillé en température et par un détecteur d'émission de gaz, signe d'une décomposition du liquide isolant. Géosel utilise des relais type DGPT : une émission de gaz fait basculer un flotteur qui actionne 1 ou 2 contacts selon le type choisi. Ces contacts servent pour commander alarme et déclenchement des disjoncteurs amont et aval du transformateur.

Vis pointeau F

Relais avant fonctionnement

Relais après fonctionnement

Relais détecteur de gaz

II -

TABLEAUX HAUTE TENSION 1-

CONSTITUTION Les tableaux H.T. sont constitués de cellules individuelles protégées, sous enveloppe métallique (tableau blindé), préfabriquées, à éléments généralement débrochables, et modulaires (interchangeabilité). Ils comprennent l’appareillage H.T. dont le rôle est d’établir ou d’interrompre le courant en service normal (interrupteur, contacteur, sectionneur) ou bien au moment d’un défaut (disjoncteur, fusibles) ainsi que les équipements de contrôle/commande.

2-

DESCRIPTION Un tableau H.T. débrochable comprend : -

les parties fixes (cellules) les parties mobiles (appareil de coupure)

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D T 2155 A

F

21

C 5 -1/C

• La cellule Elle comprend : •

le compartiment jeu de barres Les barres sont en cuivre ou aluminium étamé, montées sur des isolateurs en résine, le tout est enfermé dans un “caisson jeu de barres” (parfois gainé : marine, …).

•

le compartiment Basse Tension (B.T.) Il est situé à la partie supérieure de la cellule, il renferme les relais de protection et auxiliaires, les commutateurs, boutons poussoirs, voyants de signalisation, les alimentations auxiliaires (48 V … de distribution des polarités), les indicateurs de mesures.

•

le compartiment appareillage Il reçoit : l’appareil de coupure, le transformateur de mesure (Intensité et/ou Potentiel), le sectionneur de MALT (mise à la terre), les plages de raccordement de câbles, les dispositifs de verrouillage mécanique (volets rendant impossible les accès des pièces sous tension).

•

l’appareil de coupure Il est monté sur un chariot amovible, et muni de ses dispositifs d’embrochage (tulipes). Dans le cas d'un disjoncteur un moteur de réarmement est incorporé.

•

Éléments optionnels Résistance de chauffage, serrure de verrouillage par clés, rails profilés de fixation pour le génie, tore de terre, etc.

3-

RELAIS DE PROTECTION • Rôle Ils sont destinés à assurer la protection des installations électriques contre tous les défauts possibles (court-circuits, surtensions, surcharges, déséquilibres). • Classification -

Relais “tout ou rien” : constitués d’un électroaimant à armature mobile et contacts fixes et mobiles ; peuvent être à “ouverture” ou à “fermeture”. (Très répandus, ils assurent les commandes de l’appareillage, les alarmes, les déclenchements, les reports de signalisation, …).

-

Relais de mesure directs : ils sont alimentés directement par la grandeur à surveiller (limité à la Basse Tension).

-

Relais de mesure indirects : ils détectent la grandeur à surveiller par l’intermédiaire de transformateurs de mesures (B.T. forte puissance et H.T.).

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4-

C 5 -1/C

TRANSFORMATEURS DE MESURES Ils sont destinés à ramener les tensions et courants des circuits de puissance à des valeurs plus faibles. Ex : (100 V - 5 A) - Ce sont des réducteurs de mesures. On distingue :

les transformateurs de potentiel (TP ou TT) les transformateurs de courant (TC ou TI)

Ils alimentent les relais de protection, les appareils de mesure, les régulateurs, les enregistreurs, les compteurs. Les appareils de commande et de protection sont détaillés plus loin.

Jeu de barre général et dérivations

Équipement associé (TC compartiment BT)

Raccordement des câbles avec dispositif de mise à la terre

Structure d'assemblage

Constitution d'une cellule débrochable à disjoncteur

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D MEQ 1122 A

Appareil de connexion principale

23

Cellules Cellule arrivée protection Jeu de barres MT

Transformateur

Tableau ou poste ou armoire BT

Cellule BT

Dij. BT

Arrivées MT

TC compt.

Cellule comptage

Cellule batterie de compensation

Comptage

D IRA 1229 A

Tableau ou poste MT

C 5 -1/C

Départ BT

D MEQ 1371 A

Exemple de poste de transformation

Poste avec protection générale et comptage MT

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C 5 -1/C

III - TABLEAUX BASSE TENSION 1-

CONSTRUCTION Les tableaux BT sont constitués d'éléments protégés sous enveloppe métallique, préfabriqués, à éléments soit débrochables, déconnectables ou quelquefois fixes. Un tableau BT comprend plusieurs colonnes (arrivées/couplage, départs) assemblées les unes aux autres (parties fixes), chaque colonne comporte les tiroirs individuels (parties mobiles) d’alimentation des consommateurs, ils contiennent l’appareillage de coupure et de protection (sectionneur, fusibles, disjoncteurs, relais, contacteurs).

2-

DESCRIPTION Les tableaux BT peuvent être du type “distribution” (avec disjoncteurs) ou du type “alimentation des moteurs” (avec contacteurs) ou bien mixtes, c’est-à-dire alimentant à la fois des sous-tableaux et des moteurs. Au point de vue conception technologique ces tableaux peuvent être débrochables ou déconnectables. les tableaux déconnectables de conception moins sophistiquée sont de 10 à 15 % moins cher que les tableaux débrochables. La séparation de certaines fonctions est assurée par un compartimentage fonctionnel (sécurité du personnel) : • compartiment jeu de barres, compartiment appareil de manœuvre • compartiment extrémités de câbles Des verrouillages mécaniques et électriques évitent les fausses manœuvres. Les circuits puissance sont toujours débrochables. Les circuits contrôle sont débrochables ou déconnectables (prises multibroches). Pendant l’exploitation un tiroir peut occuper 3 positions : • position embroché • position test • position débroché

(puissance et contrôle sous tension) (puissance hors tension, contrôle sous tension) (puissance et contrôle hors tension)

La position des tiroirs est cadenassable. Les tiroirs peuvent être complètement extraits de la colonne pour remplacement rapide (interchangeabilité).

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C 5 -1/C

D MEQ 1370 A

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D MEQ 1815 A

Tableau basse tension à tiroirs débrochables

Tiroir débrochable “disjoncteur”

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C 5 -1/C

26

IV - LIAISONS PAR CÂBLE En général, pour des raisons de sécurité, les liaisons électriques à l'intérieur d'une usine se font par câbles isolés. Les lignes aériennes, mentionnées pour mémoire, ne seront pas traitées ici.

1-

CONSTITUTION D'UN CÂBLE Un câble comporte soit un conducteur, soit plusieurs conducteurs électriquement distincts et mécaniquement solidaires. • L'âme L'âme, qui constitue la partie métallique du conducteur, se définit par : -

la nature du métal : cuivre électrolytique recuit ou aluminium 3/4 dur écroui ou parfois recuit ; pour deux âmes de même résistance et de même longueur, les caractéristiques indiquées ci-dessous rendent généralement l'aluminium plus économique, pour toutes les sections d'âmes jusqu'aux tensions les plus élevées Comparaison entre câble aluminium et câble cuivre Rapport

Section Alu Section Cu

1,64

Rapport

Masse Alu Masse Cu

0,5

- la résistance linéique électrique (ohm/m) - la section nominale (mm2 ) - la forme de la section droite (ronde ou sectorale) - le type de l'âme (massive - câblée rigide ou souple) • L'isolant L'isolant entoure l'âme et assure l'isolation électrique. Il est réalisé en matière synthétique, tels que le polychlorure de vinyle (PVC), le polyéthylène (PE), le polyéthylène réticulé (PR), le caoutchouc éthylène-propylène (EPR-EPDM). • Les écrans non métalliques Les écrans non métalliques, appelés aussi écrans semi-conducteurs, sont utilisés en Moyenne et Haute Tensions pour uniformiser à la surface de l'âme et à celle de l'isolant les gradients électriques. Parfois, d'autres écrans non métalliques sont utilisés pour une protection thermique (rubans en sole de verre - rubans micacés, …). • Les revêtements métalliques Les revêtements métalliques, ont essentiellement trois rôles : -

rôle électrique (évacuation des courants capacitifs, de court-circuit et dans certains cas, protection contre les perturbations électromagnétiques). Il s'agit alors d'écrans métalliques

-

rôle d'étanchéité : l'écran métallique selon sa technologie peut assurer l'étanchéité radiale du câble

-

rôle mécanique : on parle alors d'armure

La législation française impose que tous les câbles enterrés directement dans le sol soient munis d'un écran métallique mis à la terre, ceci quelle que soit la tension. 02468_A_F

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C 5 -1/C

27

Les écrans métalliques sont en plomb ou en aluminium, parfois en cuivre ou encore en acier doux (feuillards). • La gaine de protection non métallique La gaine de protection non métallique a pour fonctions la protection contre la corrosion, l'étanchéité, la protection mécanique ou encore, dans certains cas l'isolation électrique de l'écran par rapport au sol. Elle est réalisée en matière synthétique tels que : le polychlorure de vinyle (PVC), le polyéthylène (PE), polychloroprène (PCP), le polyéthylène chlorosulfoné (PCS). EXEMPLE DE CÂBLE BASSE TENSION (1000 V maxi) Âme rigide cuivre nu ou aluminium

Ruban séparateur Isolation PRC Gaine de bourrage PRC Gaine PVC noir

Sans armure

Âme rigide cuivre nu

Isolation PRC Gaine de bourrage (cond. ronds) ou (ou PVC) ruban d'assemblage Gaine d'étanchéité PVC noir (cond.sectoraux) Gaine PVC noir

Avec armure

Enveloppe isolante Revêtement métallique Âme câblé en cuivre ou en aluminium

Armure de feuillards acier

Matelas sous armure

Écran semiÉcran semiBourrage conducteur conducteur sur hydrofuge sur âme enveloppe isolante

Gaine extérieure de protection en polychlorure de vinyle

Armure (éventuellement)

EXEMPLE DE CÂBLE MOYENNE TENSION

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D MEQ 1366 A

Ruban séparateur (facultatif)

28

2-

C 5 -1/C

COMPORTEMENT AU FEU L’électricité étant facilement initiatrice d’incendie, l’installation électrique doit, autant que possible, éviter de le propager. Les liaisons électriques, du fait de leur cheminement dans les unités, sont de ce point de vue, un danger. Aussi trouve-t-on plusieurs catégories de câbles, classées selon leur comportement au feu. a - Catégorie C2 : câbles “ne propageant pas la flamme” Un câble est dit “ne propageant pas la flamme” si, pris isolément et enflammé, il ne propage pas la flamme et s’éteint de lui-même. Des câbles de cette catégorie sont utilisés dans les zones à faible risque d’incendie. b - Catégorie C1 : câbles “ne propageant pas l’incendie” Un câble est dit “ne propageant pas l’incendie” si, enflammé, il ne dégage pas de produits volatils inflammables en quantité suffisante pour donner naissance à un foyer d’incendie secondaire. Ce type de câble est conseillé en atmosphères chaudes et mal ventilées, lorsque les câbles sont en nappes importantes sur leur chemin de câble, où lorsqu’il y a risque d’incendie. C’est la catégorie la plus courante dans l’industrie. c - Catégorie CR1 : câbles “résistant au feu” Un câble est dit “résistant au feu” s’il ne propage pas la flamme et si, placé au cœur de l’incendie, il continue à assurer son service pendant un temps limité, défini par des essais de qualification (par exemple 3 heures sous 750°C, ou 15 minutes dans un four monté à 900°C …). Cette catégorie est imposée dans de nombreux établissements recevant du public, ou pour des installations de secours comme l’éclairage de sécurité, l’alimentation d’ascenseurs ou de ventilateurs ou désenfumage, de pompes à eau, d’alarmes, … Les conditions de pose des câbles jouent aussi un rôle dans la sécurité : - limitation du courant admissible selon la proximité d’autres câbles réduisant l’aération du câble -

bouchage des traversées de cloisons par des matériaux incombustibles (plâtre, produits ignifuges, …) pour arrêter ou au moins retarder une propagation d’incendie

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C 5 -1/C

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V-

APPAREILS DE COMMANDE ET DE PROTECTION 1-

APPAREILS DE PUISSANCE Ce sont les appareils destinés à établir ou interrompre un circuit électrique. On les appelle sectionneurs, interrupteurs, disjoncteurs, contacteurs, coupe-circuit à fusible selon leur rôle. Ils remplissent les fonctions suivantes : -

fonction “isolement” fonction “commande” fonction “élimination de défaut” fonction “surveillance” Fonctions de l’appareillage Fonctions réalisées

Appareils de base

Isolement

Sectionneurs Interrupteurs Contacteurs Disjoncteurs Fusibles

x

Commande

Élimination de défaut

x x x

x x

Surveillance

x

Pour mémoire : Relais et déclencheurs

x

a - Fonction “isolement Elle consiste à isoler ou séparer des sources de courant un circuit à vide. C’est une fonction de sécurité qui a pour but de séparer du réseau une partie d’installation afin de pouvoir y travailler sans risque. b - Fonction “commande” Il s’agit d’une opération volontaire, manuelle ou automatique, consistant à fermer un circuit ou à l’ouvrir dans ses conditions normales de fonctionnement. c - Fonction “élimination de défaut” La fonction consiste à séparer des sources une portion de circuit en situation anormale, dont les conséquences peuvent être dangereuses pour le personnel ou le matériel. Cette fonction est aussi parfois improprement appelée “protection”. L’appareillage ne peut en effet protéger contre l’apparition d’un défaut mais doit intervenir pour en limiter les répercussions sur les éléments du réseau restés sains. d - Fonction “surveillance” Cette fonction assure la surveillance des paramètres d’exploitation (tension, courant, température, …) pour provoquer une alarme ou une ouverture du circuit.

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C 5 -1/C

30

2-

SECTIONNEURS a - Rôle Le sectionneur est avant tout un organe de sécurité réalisant la fonction “isolement”. Il peut avoir la fonction “sélection” d’un circuit (cas des sectionneurs d’aiguillage dans un système à deux jeux de barres par exemple) Dans tous les cas, le sectionneur est un appareil dépourvu de pouvoir de coupure, c’est-à-dire qu’il doit être manœuvré à courant nul. Le courant doit être interrompu auparavant par un autre appareil prévu à cet effet. b - Différents types de sectionneurs Dans tous les cas, il s’agit de séparer par une manœuvre qui peut être lente, des contacts : • dans l’air atmosphérique pour les appareils les plus courants • dans un milieu diélectrique (généralement SF 6) pour les postes blindés Haute Tension Sauf dans ce dernier cas, la coupure est visible. En Moyenne Tension, les trois principaux types utilisés sont indiqués sur la figure cidessous.

A couteau, ouverture par rotation Modèle le moins coûteux, plus particulièrement adapté aux installations de type ouvert en Moyenne Tension.

A couteau “coulissant” ouverture par translation Plus coûteux que le précédent, ce modèle est utilisé également en installation du type ouvert Moyenne Tension lorsque l’espace disponible perpendiculairement au plan du support est restreint.

Rotatif, à double ouverture

Un système d’écrans, solidaire de l’arbre, permet la matérialisation d’une séparation physique entre entrée et sortie. Principaux types de sectionneurs MT

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D IRA 1367 A

Ce modèle est plus particulièrement adapté à l’utilisation en cellules préfabriquées.

C 5 -1/C

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3-

INTERRUPTEURS a - Rôle L’interrupteur est un appareil servant à couper ou établir un circuit parcouru par un courant de charge normal. Il réalise la fonction active “commande”. Ces appareils sont utilisés en Basse et Moyenne Tensions jusqu’à 36 kV. En Haute Tension, les interrupteurs sont d’un usage très peu fréquent. b - Technologie des interrupteurs De nombreuses technologies de coupures ont été développées. Les seuls procédés couramment utilisés en France sont décrits ci-après. • Appareils à coupure dans l’air Cette technologie a acquis une situation de monopole dans le domaine de la Basse Tension jusqu'à 1000 V en courant alternatif 50 Hz. • Appareils à autoformation de gaz En général, ces appareils dérivent directement des sectionneurs à couteau, par adjonction d’un couteau auxiliaire à ouverture retardée par rapport au couteau principal.

D MEQ 1816 A

L’ouverture de ce couteau se produit dans un espace étroit, entre deux plaques dont la matière se décompose sous la chaleur de l’arc et produit des gaz qui assurent le soufflage.

Interrupteur à autoformation de gaz

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4-

C 5 -1/C

DISJONCTEURS a - Rôle Le disjoncteur est un appareil qui sert à établir ou interrompre tout courant pouvant apparaître dans un circuit. Il doit donc être capable de couper ou établir : • les courants de charge normaux • les courants de surcharge normaux ou anormaux • les courants de défaut (court-circuit) Le disjoncteur réalise donc les fonctions “commande” et “élimination de défaut”. Par contre, le disjoncteur n’est pas un organe de sécurité. De ce fait, si le disjoncteur est capable aussi de la fonction “isolement”, il ne lui est pas demandé de réaliser la garantie de non-franchissement qui est une tenue à une valeur normalisée de surtension en forme d’onde de choc. b - Technologie Les technologies des disjoncteurs sont très variées. Elles sont surtout caractérisées par le milieu dans lequel se produit l’extinction de l’arc électrique de coupure.

D MEQ 1817 A

Exemple : coupure dans l’air, dans l’huile, dans le SF6, dans le vide.

Disjoncteurs MT débrochables, à coupure dans le SF6

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C 5 -1/C

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5-

CONTACTEURS Le contacteur est un appareil réalisant la fonction commande. Il est capable d’établir, d’interrompre et de supporter tout courant normal parcourant un circuit, y compris les courants de surcharge en service. Il est commandé par un circuit auxiliaire alimentant sa bobine, qui est un électroaimant. Le contacteur est avant tout destiné à commander des circuits moteurs. Dans leur conception, l’accent est donc mis surtout sur l’endurance, qui s’exprime en millions de manœuvres.

D MEQ 1189 A

Les courants de surcharge en service sont surtout ceux liés au fonctionnement des moteurs, c’est-àdire en particulier les courants de démarrage.

D MEQ 1120 A

Contacteurs Basse Tension

Contacteur Moyenne Tension à coupure dans le SF 6

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C 5 -1/C

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6-

COUPE-CIRCUITS À FUSIBLES Le coupe-circuit à fusible a pour fonction d’interrompre des courants élevés, par la fusion d’un élément. Le coupe-circuit à fusible comporte deux parties fonctionnelles : • l “élément de remplacement”, plus communément appelé fusible, qui est la partie qui assure la coupure • le support, parfois constitué par des parties spécialisées d'un autre appareil (interrupteur par exemple) dont les principaux rôles sont de permettre le raccordement du circuit extérieur, d’assurer l’isolement à la masse et de supporter les efforts électrodynamiques. Un fusible ne peut remplir son rôle qu’une seule fois, il doit être remplacé après fusion.

1

Enveloppe isolante

2

Connexion souple

3

Pièce de contact

4

Elément fusible 4

1 2

Fusible Moyenne Tension (cylindrique)

Fusible basse tension à couteau

D T 2156 A

3

En général, les fusibles sont associés à un autre appareil dont l’ouverture peut être provoquée par la fusion d’un seul des trois fusibles, de façon à éviter des fonctionnements déséquilibrés.

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C 5 -1/C

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VI - RELAIS DE PROTECTION Les relais de protection sont des appareils qui comparent en permanence les grandeurs électriques des réseaux (courant, tension, fréquence, puissance, impédance, …) à des valeurs prédéterminées et qui donnent automatiquement des ordres logiques lorsque la grandeur surveillée atteint la valeur de fonctionnement. L’ensemble cohérent des relais d’une installation constitue l'élément de base du système de protection de cette installation. Le rôle des relais de protection est de détecter tout phénomène anormal pouvant se produire sur un circuit électrique, avec pour objectif, suivant leur type : • l’élimination des défauts, afin de limiter les contraintes électriques (surintensités, surtensions) et les contraintes mécaniques auxquelles ces défauts soumettent les matériels ; cette élimination est obtenue en isolant la plus petite partie possible du réseau où est apparu un défaut : c’est le rôle des relais de protection contre les défauts • la surveillance des grandeurs électriques du réseau pour contrôler en permanence la qualité de l’énergie fournie et assurer la protection des personnes contre les dangers de l'électricité : c’est le rôle de relais d’exploitation ou de surveillance

• Raccordement des relais Le début de la chaîne de protection est constitué par les capteurs des grandeurs électriques, c’est-à-dire les transformateurs de courant et les transformateurs de tension. A l’extrémité de la chaîne de protection, sont situés les organes qui sont commandés par les relais : bobines de déclenchement des disjoncteurs, voyants de signalisation, alarmes et autres dispositifs de sécurité. Ces organes sont connectés aux contacts de sortie des relais de protection, directement ou par l’intermédiaire de relais tout ou rien si la puissance à établir est trop élevée . Les relais de protection sont donc situés électriquement entre les réducteurs de mesure qui leur fournissent les grandeurs à surveiller et les organes commandés par les ordres logiques qu’ils délivrent. Ils sont alimentés par une source auxiliaire basse tension.

TC (contrôle du courant) Organe de coupure

Relais de protection

Tension auxiliaire d'alimentation

Raccordement d’un relais de protection

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D T 2157 A

Actionneur (bobine)

TT (contrôle de la tension) Réducteurs de mesure

C 5 -1/C

36

D MEQ 1821 A

Les relais de protection se présentent souvent en rack multirelais.

Rack comportant 6 relais

Il existe une très grande variété de relais de protection, selon les types de protection désirés qui dépendent de l’équipement à protéger : réseaux, moteurs, transformateurs, alternateurs, etc. Les plus utilisés sont : • • • • •

relais à maximum de courant relais à maximum de courant de défaut à la terre relais à maximum ou à minimum de tension relais de retour de puissance (surveille qu’un générateur ne devienne pas un récepteur) relais de surveillance de l’isolement du réseau

Les relais, utilisés tout au long de la chaîne de distribution, du récepteur à l'arrivée du réseau EdF ou de la centrale, doivent être réglés les uns par rapport aux autres de façon à assurer la sélectivité des coupures. La coupure ne doit avoir lieu qu'en amont direct de la partie du circuit en défaut, de façon à protéger et à assurer la continuité de l'exploitation du reste de l'usine. On joue pour cela, sur la valeur du courant de réglage et la valeur du temps de déclenchement (temporisation éventuelle) des appareils de protection.

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02468_A_F

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Y

20 kV/380 V 1MVA

D IRA 1228 A

POSTE ÉXPÉDITION STOCKAGE

Y Y

TBT 301 TBT 202 Conso. 1,5 à 3,5kVA

20 kV/380 V 2MVA

POSTE ATELIER DE PRODUCTION N°1

Y

TMT 301

Y

20 kV/380 V 2MVA

Extension future

POSTE GÉNÉRAL DE DISTRIBUTION

Câble de distribution 20kV

COUPLAGE "EDF/Usine"

POSTE DE LIVRAISON

TBT 201 BT TBT 101 380 V Conso. 700 kVA

MT 5,5 kV

HT 20 kV

THT 63 kV

Y

Y

5,5 kV /380 V 2MVA

Y

Auxiliaires

380 V/ 220 V 50 kVA

BT 220 V

Groupe électrogène de secours

BT 380 V

TMT 302 MT Conso. 5,5 kV 8 MVA

20 kV /5,5 V 10 MVA

Jeu de barres 20 kV "Usine"

Jeu de barres 20 kV "EDF"

Récepteur TBT 302

M

Y

63/20 kV 25 MVA Transformateur d'arrivée

Disjoncteur général

POSTE ATELIER DE PRODUCTION N°2

380 V/ 220 V

M

20 kV /5,5 V 10 MVA

5,5 kV /380 V 2MVA

Y

Y

RÉSEAU DISTRIBUTEUR "EDF"

BT TBT 501 380 V

Y

MT TMT 501 5,5 kV

Turbo alternateur "Usine"

Y

JB 2

JB 1

Extension future

5,5 kV /380 V 1MVA

TMT 502 MT 5,5 kV

20 kV /5,5 V 10 MVA

Y

Vitaux 380 V

Auxiliaires TBT 502 BT 380 V 125 kVA

M

POSTE UTILITÉS

M

Y

Conso. 8 MVA

10,5/20 kV 12,5 MVA

20 kV /5,5 V 10 MVA

5,5 kV /380 V 1MVA

Y

Y

12 MVA

Jeu de barres 63 kV

63/20 kW 25 MVA

CHAUDIÈRE

Chaudière électrique

Y

HT 20 kV

THT 63 kV

37

C 5 -1/C

C5

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

FIABILITÉ ET SÉCURITÉ DES INSTALLATIONS

A - PROTECTION CONTRE LES COURANTS DE DÉFAUT I - SÉLECTIVITÉ............................................................................................................................ 1 1 2 -

Rôle de la sélectivité .................................................................................................................... 1 Procédés de sélectivité ................................................................................................................ 2

II - CONTRÔLE PERMANENT DE L'ISOLEMENT ........................................................................ 8 1 2 3 -

Réseau à neutre à la terre ...........................................................................................................8 Réseau à neutre impédant ...........................................................................................................8 Localisation du défaut d'isolement ...............................................................................................9

B - NORMES DE PROTECTION VIS-À-VIS DES AMBIANCES EXTÉRIEURES I - INDICE DE PROTECTION DU MATÉRIEL ÉLECTRIQUE..................................................... 11 II - MATÉRIEL POUR ATMOSPHÈRES EXPLOSIBLES ............................................................. 13 1 2 -

Modes de protections .................................................................................................................13 Entretien et montage du matériel de sécurité ............................................................................20

ME RES - 02469_A_F - Rév. 1

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08/06/2005

-1/D

1

C 5 -1/D

A - PROTECTION CONTRE LES COURANTS DE DÉFAUT

Malgré tout le soin apporté à la conception et à la réalisation d'une installation électrique, un certain nombre de compromis ayant été imposé par des contraintes contradictoires, il est impossible d'éviter tout dysfonctionnement au cours du temps. Les courants de court-circuits sont en général d'amplitude très supérieure aux courants nominaux : il faut les interrompre "au plus vite" et même d'autant plus vite qu'ils sont plus importants. Ceci est le rôle des disjoncteurs, souvent associés à des relais multiples ayant chacun un défaut spécifique à surveiller. L'élimination de ces défauts dans une installation se fait de façon ordonnée, en pratiquant la sélectivité des protections.

I-

SÉLECTIVITÉ 1-

RÔLE DE LA SÉLECTIVITÉ Un défaut se produisant en un point quelconque d'un réseau de distribution ne doit, en aucune façon, priver de courant électrique l'ensemble des ateliers ou bureaux. Il résulte de cette évidence, la nécessité d'isoler rapidement la partie en défaut sans priver d'énergie les autres utilisateurs ; c'est le principe même de la sélectivité des déclenchements. L'élément de protection (disjoncteur ou fusibles) qui est placé immédiatement en amont de la partie de circuit où se produit le défaut doit, et lui seul, fonctionner, les autres protections ne devant pas déclencher. Donc : -

Définition de la sélectivité Deux disjoncteurs sont sélectifs entre eux si tout défaut survenant en un point du réseau est éliminé par l'appareil de protection placé immédiatement en amont du défaut et par lui seul.

-

But de la sélectivité ASSURER LA CONTINUITÉ DE SERVICE OU D'EXPLOITATION

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C 5 -1/D

2

2-

PROCÉDÉS DE SÉLECTIVITÉ Les trois procédés de sélectivité les plus répandus sont : -

la sélectivité ampèremétrique la sélectivité chronométrique la sélectivité logique

a - Sélectivité ampèremétrique Elle s'appuie sur l'échelonnement des seuils de réglage des déclencheurs magnétiques instantanés des disjoncteurs en fonction du courant de court-circuit au point considéré. Elle est totale si le courant de court-circuit en aval du disjoncteur B est inférieur à la valeur de réglage du déclencheur magnétique du disjoncteur A.

D SEC 3106 A

Si le courant de court-circuit en aval du disjoncteur B est supérieur à la valeur de réglage du déclencheur magnétique du disjoncteur A, les deux disjoncteurs s'ouvrent simultanément.

Ainsi la sélectivité ampèremétrique, plus ou moins partielle, selon la position du défaut, ne permet que rarement de garantir un déclenchement sélectif. Son principal avantage est son coût réduit, qui la justifie dans les installations simples.

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b - Sélectivité chronométrique Cette technique est sûre. Elle consiste à retarder plus ou moins l'instant d'ouverture des disjoncteurs. Le temps pendant lequel un courant de valeur donnée peut traverser un disjoncteur sans provoquer son ouverture est la durée de non déclenchement. Le temps total de coupure est celui qui s'écoule entre l'apparition du défaut de l'extinction de l'arc sur tous les pôles. Règle Deux disjoncteurs sont sélectifs si le temps total de coupure du disjoncteur aval est inférieur à la durée de non déclenchement du disjoncteur amont.

D SEC 3108 A

D SEC 3107 A

Graphiquement les 2 disjoncteurs A et B seront sélectifs si la courbe du temps total de coupure du disjoncteur aval est en-dessous de la courbe de la durée de non déclenchement du disjoncteur amont.

Cette règle s'applique à plusieurs étages de disjoncteurs. Le réglage de la temporisation augmente au fur et à mesure que l'on remonte vers l'amont, ce qui présente l'inconvénient d'imposer un surdimensionnement thermique des câbles, et surtout d'accroître considérablement les risques de destructions dus à la propagation de l'arc à partir du point du défaut. Il est à noter qu'en général, plus un disjoncteur est placé en amont, plus il est prévu pour couper des courants importants. La sélectivité chronométrique est alors combinée avec une sélectivité ampèremétrique. Dans l'exemple ci-dessous, les disjoncteurs D1 , ne sont pas retardés ; les disjoncteurs D 2 sont retardés de 0,3 seconde, D3 de 0,6 seconde, et les disjoncteurs D4 de 0,9 seconde.

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4

D SEC 3109 A

Une conséquence néfaste de ces retards échelonnés est qu'un défaut en A ne sera éliminé par D4, qu'en 0,9 seconde. De plus, le temps d'élimination du défaut devient excessif lorsqu'il se produit près de la source, et on arrive souvent à une incompatibilité entre la temporisation trop longue nécessaire pour la sélectivité et celle plus courte (0,2 sec. en 20 kV) que le distributeur accorde au niveau de son disjoncteur de livraison.

Le schéma de la page suivante montre un exemple de protections sélectives basées sur les seuils de courant et les temporisations. Pour être comparables, les courants indiqués sont rapportés au même niveau de tension, ici 15 kV.

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5

63 KV Temps en sec.

63 KV

4

3

2

1

1

15 KV

2

Départ B

1,2 In 8 sec. Protection basse tension four F6 30

1,2 In 10 sec. 1,2 In 30 sec.

4

32 A

3

5855 KVA In = 225 A

630 KVA 10

BT

8

C6

2,5 In à 0,9 sec.

0,9 0,6 0,3

Four F6

2,5 In à 0,6 sec. 3 In à 0,3 sec.

D SEC 3110 A

Fusible 32 A TR 630KVA - C4 -

I sous 15 KV

Courbes de sélectivité - Départ B

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c - Sélectivité logique Ce type de sélectivité est utilisé lorsque le nombre des relais en cascade devient trop grand pour permettre une simple sélectivité par le temps. L'échange d'informations logiques entre les protections de deux postes successifs permet en effet la suppression des intervalles de sélectivité. Le principe est le suivant. Dans un réseau en antenne lors d'un défaut, les protections situées en amont du point de défaut sont sollicitées ; au contraire, toutes les protections situées en aval ne le sont pas. Il y a là un moyen simple de localiser sans retard le point de défaut, et de définir sans ambiguïté le seul disjoncteur à commander : le point de défaut est en aval de la dernière protection sollicitée, et en amont de la première qui ne l'est pas. Chaque protection sollicitée doit : - verrouiller ou mettre en attente la protection située immédiatement en amont qui n'a pas à intervenir - de donner un ordre de déclenchement au disjoncteur qui lui est associé ; il y a déclenchement si aucun ordre d'attente ou de verrouillage n'est reçu de la protection située immédiatement en aval ; afin d'obtenir une sélectivité parfaite, les disjoncteurs associés à chacun des relais sont actionnés par l'intermédiaire d'un contact légèrement temporisé qui tient compte du temps d'exécution du verrouillage ; pour pallier la déficience éventuelle d'une liaison d'échange d'informations, on prévoit en secours un déclenchement temporisé Cette méthode de sélectivité s'applique au réseau en antenne. Elle peut être utilisée seule ou en association avec un autre principe de protection sélective. Exemple de sélectivité logique Prenons l'exemple d'une distribution en antenne. Pour simplifier un seul départ par étage est pris en compte. À chaque disjoncteur est associé un "relais logique" qui reçoit les informations défaut et ses capteurs (T.C. tores) et émet des ordres de déclenchement et d'attente logique. Tout relais sollicité par un défaut envoie : - un ordre d'attente logique (AL) à l'étage amont (ordre d'augmentation de la temporisation propre du relais amont) - un ordre de déclenchement au disjoncteur auquel il est associé, sauf s'il a lui-même reçu un ordre d'attente logique de l'étage aval Dans l'exemple de la figure lorsqu'un défaut apparaît en A, les (n) relais voient ce défaut.

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Le relais logique 1 envoie un ordre AL au relais logique 2 et un ordre de déclenchement du disjoncteur D1. Le relais logique 2 met temporairement en attente le relais logique 3, etc. le relais logique (n-1) transmettant un ordre AL au relais logique (n), ceci jusqu'au poste de livraison à moins qu'à partir d'un certain niveau, le courant de défaut devienne inférieur aux seuils de réglage (sélectivité ampèremétrique). Le disjoncteur D1 s'ouvre au bout d'un temps. TD1 = TI + t1 TI : temporisation propre du relais logique 1 t 1 : temps propre d'ouverture du disjoncteur D1 (temps d'arc compris) Si le défaut apparaît en B, le relais logique 1 et D1 ne sont pas sollicités et le relais logique 2 ne reçoit pas d'ordre AL, le défaut sera éliminé en TD2 = TI + t2 Le même raisonnement peut être appliqué à l'un quelconque des disjoncteurs constituant un réseau de distribution. Le défaut au niveau de l'étage "n" sera éliminé en TDn = TI + tn

D SEC 3111 A

Il est cependant du nombre d'étages "n".

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II -

CONTRÔLE PERMANENT DE L'ISOLEMENT 1-

RÉSEAU À NEUTRE À LA TERRE Dans un réseau à neutre à la terre, un défaut à la terre se traduit par un courant important qui fait ouvrir les moyens de protection différentiels.

D SEC 3112 A

Un tore, associé à un relais, est placé sur l'antenne à contrôler. L'apparition d'un défaut d'isolement en aval du tore se traduit par un courant de fuite à la terre. Le secondaire du transformateur-tore délivre alors une faible tension qui est appliquée aux bornes du relais amplificateur associé. Lorsqu'un seuil prédéterminé est atteint, le relais provoque le déclenchement de l'organe de coupure.

Protection différentielle

2-

RÉSEAU À NEUTRE IMPÉDANT Dans un réseau à neutre impédant, un premier défaut à la terre est sans danger, il ne provoque pas de coupure. Mais il y a danger potentiel, car un second défaut (très possible sur les grosses installations), ferait apparaître cette fois un courant et donc des tensions dangereuses pour l'homme. Il faut alors déclencher. La non-coupure au premier défaut est acceptable à condition d'être informé de l'existence d'un défaut de façon à le rechercher et à l'éliminer avant qu'apparaisse un autre.

D SEC 3113 A

Chaque réseau, c'est-à-dire chaque installation en aval d'un transformateur, doit être doté d'un Contrôleur Permanent de l'Isolement (C.P.I.).

Contrôleur Permanent d'Isolement à injection de courant continu 02469_A_F

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Un générateur Ec injecte une tension continue entre le réseau et la terre. Cette tension crée, dans l'ensemble des résistances d'isolement (ρ1, ρ 2, ρ3), un courant de fuite. Ce courant traverse :

3-

-

un appareil de mesure (A), directement gradué en kΩ, qui donne l'indication permanente de la valeur de l'isolement

-

une résistance (Ri), aux bornes de laquelle apparaît une différence de potentiel — proportionnellement au courant de fuite — qui est appliquée à un relais électronique. Ce relais provoque l'alarme lorsqu'un seuil prédéterminé est atteint. Sur certains CPI, un deuxième seuil est prévu au-delà duquel un ordre de déclenchement est donné. La mesure, effectuée en courant continu, est indépendante de la valeur de capacité des câbles C1, C2, C3

LOCALISATION DU DÉFAUT D'ISOLEMENT Une alarme défaut d'isolement doit donc être suivie de sa localisation sur l'installation. Cette recherche est souvent délicate et représente la principale difficulté dans l'utilisation d'un réseau à neutre isolé ou impédant. a - Recherche par coupures sélectives C'est la plus simple, mais rarement acceptable pour les utilisateurs, d'autant que la logique serait d'avancer de l'amont vers l'aval. b - Recherche sous tension Elle peut se faire au moyen d'un générateur injectant un courant basse fréquence (4 à 10 Hz selon les constructeurs) que l'on cherche à retrouver au moyen d'une pince ampèremétrique associée à un récepteur accordé à cette basse fréquence. Il n'est plus nécessaire de faire des coupures. Selon l'investissement réalisé, cela peut aller d'une simple pince mobile à des installations fixes avec recherche manuelle (par commutateur) ou automatique (par automate).

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Recherche mobile

Recherche fixe

D SEC 3114 A

Recherche automatique

Recherche de défaut sous tension Document Merlin-Gérin

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B - NORMES DE PROTECTION VIS-À-VIS DES AMBIANCES EXTÉRIEURES

La fiabilité de fonctionnement et la sécurité exigent que soient compatibles les matériels et installations électriques avec leur environnement. Le matériel électrique doit être protégé de l'ambiance extérieure : c'est le rôle de l'indice de protection. Par ailleurs, en zone où l'atmosphère peut être explosive, l'installation électrique ne doit pas être source de danger : c'est le rôle des normes concernant le matériel pour atmosphères explosibles.

I-

INDICE DE PROTECTION DU MATÉRIEL ÉLECTRIQUE Tout matériel subit des agressions externes plus ou moins prononcées, et doit donc en être protégé. On définit pour cela un "Indice de Protection" ou "degré IP" auquel obéit la construction de l'enveloppe du matériel pour supporter sans dommage ces agressions. Cet indice comporte 2 ou 3 chiffres précisant, selon le tableau suivant, le niveau de protection vis-à-vis de trois agressions normalisées : - 1er chiffre : protection contre les corps solides - 2ème chiffre : protection contre les liquides - 3ème chiffre (éventuel) : résistance aux chocs mécaniques Les degrés IP les plus utilisés sont : -

IP 23 dit "Protégé" pour du matériel situé à l'intérieur de locaux IP 44 dit "Fermé" pour l'extérieur, si possible sous abri IP 55 dit "Étanche" pour l'extérieur, sans abri

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D SEC 3105 A

12

Indices de protection

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II -

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MATÉRIEL POUR ATMOSPHÈRES EXPLOSIBLES 1-

MODES DE PROTECTIONS Le matériel électrique destiné aux atmosphères explosibles est, par habitude, appelé "ANTIDÉFLAGRANT", sans doute parce que ce mode de protection a longtemps été le plus courant en France. Pourtant, plusieurs modes de protections sont utilisés aujourd'hui dont la dénomination commune est "EEx" suivie d'un indice caractérisant le mode proprement dit de protection. Les modes les plus couramment utilisés sont : -

"EEx - d" = protection par enveloppe antidéflagrante "EEx - e" = protection par sécurité renforcée "EEx - p" = protection par surpression interne "EEx - i" = protection par sécurité intrinsèque

Sans entrer dans les détails techniques qui sont complexes, (et qui font l'objet des normes C 23.514 à 23.520), voici leurs principales caractéristiques. a - Règles générales Le rôle des protections Ex est d'éviter d'amorcer ou de transmettre une explosion. Pour cela, il suffit : - soit d'éviter la pénétration des atmosphères explosibles dans les parties du matériel où il y a risque d'étincelle ou d'échauffement (par surpression interne par exemple) - soit d'éviter d'amorcer l'atmosphère explosible (sécurité intrinsèque ou sécurité renforcée) - soit d'éviter qu'une éventuelle explosion à l'intérieur du matériel se propage à l'extérieur (enveloppe antidéflagrante) Le tableau suivant résume les modes de protection existants.

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Modes de protection Surpression interne

Immersion dans l’huile

Suppression de l’atmosphère explosive Encapsulage

Sécurité augmentée

Suppression de la source d’inflammation Sécurité intrinsèque

Enveloppe antidéflagrante

Non propagation de l’inflammation

Remplissage pulvérulent

Principe

Symbole

La pénétration d’une atmosphère environnante à l’intérieur de l’enveloppe du matériel électrique est empêchée par le maintien, à l’intérieur de la dite enveloppe, d’un gaz de protection à une pression supérieure à celle de l’atmosphère environnante.

p

Le matériel électrique est immergé dans l’huile de telle sorte qu’une atmosphère explosive se trouvant au-dessus du niveau de l’huile ou à l’extérieur de l’enveloppe ne puisse pénétrer et donc s’enflammer.

o

Les pièces qui pourraient enflammer une atmosphère explosive par des étincelles ou par des échauffements sont enfermées dans une résine de telle manière que cette atmosphère explosive ne puisse pénétrer et donc s’enflammer. Mode protection consistant à appliquer des mesures afin d’éviter, avec un coefficient de sécurité élevé, la possibilité de températures excessives et l’apparition d’arcs ou d’étincelles à l’intérieur et sur les parties externes du matériel électrique qui ne produit pas en service normal. Un circuit de sécurité intrinsèque est un circuit dans lequel aucune étincelle ni aucun effet thermique, produit dans les conditions d’épreuve prescrites par la norme, n’est capable de provoquer l’inflammation d’une atmosphère explosive. Les matériels, qui peuvent enflammer une ATEX, sont enfermés dans une enveloppe non étanche qui résiste à la pression développée lors d’une explosion interne d’un mélange explosif et qui empêche la transmission de l’explosion à l’atmosphère environnante de l’enveloppe. Les parties susceptibles d'enflammer une atmosphère explosive sont en position fixe et sont complètement noyées dans un matériau de remplissage de telle sorte que l'inflammation d'une atmosphère explosive environnante soit évitée .

m

e

i

d

q

Modes de protection des matériels électriques (d'après l'INERIS - Guide des bonnes pratiques en vue de l'application de la directive 1999/92/CE) Cas particulier du mode protection (n) : ce mode de protection ne peut être utilisé que pour du matériel situé dans un emplacement où une atex n’est pas susceptible de se produire en fonctionnement normal, ou, si elle se présente , elle n’est que de courte durée. 02469_A_F

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Selon le risque d’exposition à une atmosphère explosive, le matériel à utiliser est classé en trois catégories, dépendantes de la zones à laquelle il est destiné. Le tableau ci-après résume pour ces trois catégories, la manière d’assurer la protection et le mode de protection à utiliser selon les zones considérées :

Catégorie de protection du matériel

1G

Niveau de protection de la catégorie

Zone Manière d’assurer la protection d’utilisade l’équipement tion Zone 0

Très haut

2 moyens indépendants d’assurer la protection ou la sécurité, même lorsque 2 défaillances se produisent indépendamment l’une de l’autre Adaptée à une exploitation normale et à des perturbations survenant fréquemment ou aux équipements pour lesquels les défauts de fonctionnement sont normalement pris en compte

Zone 1

Adaptée à une exploitation normale

Zone 2

2G

Haut

3G

Normal

Zone 1 Zone 2

Zone 2

Protection équipement électrique

Protection équipement non électrique

Sécurité intrinsèque (ia)

Sécurité intégrée ou surpression interne ou de type (b) ou (c)

Mode de protection Mode de protection pour 1G ou mode pour 1G ou de type de protection de (d) type (o) ou (p) ou (q) ou (d) ou (e) ou (m) ou (d)

Mode de protection Mode de protection pour 2G ou mode pour 2G ou de type de protection (n) (fr)

De plus, les gaz sont classés en différents groupes dépendantes de l’énergie minimale d’inflammation (EMI), qui influent sur le choix des matériels :

Groupe de gaz (et subdivision) Méthane

I

Propane

IIA

Éthylène

IIB

Hydrogène

IIC

Par exemple un matériel adapté au groupe de gaz IIB, peut être utilisé en présence de propane IIA mais pas en présence d’hydrogène.

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Enfin, il appartient à l’utilisateur de vérifier que les niveaux de température d’auto-inflammation de l’atmosphère sont supérieurs à la température maximale de surface des appareils. Les classes de températures mentionnées sur les appareils sont définies comme suit :

Classe de température

Valeur maximale (°C)

T1

450°C

T2

300°C

T3

200°C

T4

135°C

T5

100°C

T6

85°C

La température peut aussi être indiquée en clair (par exemple 140°C).

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Le matériel allemand peut porter la lettre G au lieu de T. Certains matériels électriques répondent à plusieurs types de protection (par exemple, une partie est antidéflagrante, l'autre est de sécurité renforcée). Dans tous les cas, le matériel doit être marqué de façon complète. Outre les indications habituelles, la plaque signalétique doit comporter, dans l'ordre : - le symbole EEx (matériel pour zone explosible) - le symbole "d", "i", "e", … selon mode d'exécution - le symbole du groupe (ex. : II B.) - la classe de température (T.1 … T.6.) - le numéro du certificat d'agrément et le nom de l'organisme qui l'a délivré (LCIE, CERCHAR, PTB, …) Il est à noter que certains équipements se font facilement en classe T.6 (la plus exigeante) comme les interrupteurs, les boutons poussoirs, les boîtes de dérivation et seront donc presque toujours de ce type, même si une classe inférieure suffit. Par contre, les moteurs et l'éclairage sont fabriqués dans plusieurs classes pour des raisons de prix. La classe de température doit être précisée à la commande. En dehors des protections "Ex", le matériel électrique continue de posséder un "degré IP" qui est lié à son étanchéité aux corps solides (1er chiffre), son étanchéité aux liquides (2è m e chiffre) et éventuellement à sa solidité mécanique (3ème chiffre). Aucun matériel "Ex" agréé ne peut être modifié en quoi que ce soit sans perdre aussitôt son agrément (on ne peut pas percer un boîtier A d F pour placer un presse-étoupe A d F non prévu, par exemple). b - Protection par enveloppe antidéflagrante "d" Le matériel électrique est enfermé dans une enveloppe qui résiste à une éventuelle explosion interne et empêche la transmission de l'explosion à l'atmosphère explosible environnante. Ceci est principalement obtenu par : -

une enveloppe massive

- un "joint" antidéflagrant : c'est un contact métal sur métal, de deux faces parfaitement usinées, caractérisé par sa longueur (distance entre l'intérieur et l'extérieur du joint) et par son interstice. Le joint antidéflagrant sert à laminer et refroidir les gaz de l'explosion interne qui sortent sans pouvoir provoquer une explosion à l'extérieur Le matériel antidéflagrant ("Ex-d") a longtemps été du type non étanche (IP 44 maxi), mais on trouve de plus en plus de matériel IP 55 ou plus, bien qu'antidéflagrant. Un matériel ne peut être antidéflagrant que si son joint antidéflagrant est correct (non corrodé, sans rayures, sans peinture, etc.) et ses presse-étoupes étanches. Sa classe de température doit être compatible avec l'atmosphère explosible. La protection antidéflagrante se prête assez bien aux moteurs, à l'éclairage, mais très mal aux coffrets contenant de nombreux boutons et surtout du relayage. Il reste en plus, assez lourd.

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c - Protection par sécurité renforcée "e" Cette méthode a surtout été utilisée en Allemagne, mais est maintenant reconnue en France et s'est bien développée chez les constructeurs français. Le principe est d'éviter l'apparition d'étincelles ou de températures excessives sur le matériel électrique. Ceci est principalement obtenu par : -

un enrobage des conducteurs de façon à les protéger mécaniquement

-

des connexions spéciales dites "indesserrables"

- un choix de matériaux offrant une grande solidité mécanique, allié parfois à un surdimensionnement - une protection par relais thermique appropriée, assurant la coupure du courant avant que le matériel atteigne une température dangereuse pour l'atmosphère ambiante, dans le pire des cas envisageables Les conditions de montage et d'installation doivent bien sûr être faites avec soin, surtout en ce qui concerne les raccordements. Ce type de protection donne un matériel moins lourd que l'antidéflagrant, et ressemble fort, extérieurement, au matériel standard. La plaque signalétique est donc très importante. La protection "e" se prête bien aux moteurs, à certains éclairages, mais surtout aux boîtiers de raccordements. Par contre, le matériel de coupure (contacteurs, …) du fait des étincelles inévitables, ne peut pas être protégé de cette façon. d - Protection par surpression interne Le principe est d'empêcher l'atmosphère explosible de pénétrer dans l'enceinte à protéger (salle de contrôle, coffrets électriques, moteurs, …), en injectant de l'air (ou un gaz neutre). Le système est simple dans son principe, mais difficile à obtenir, car il faut assurer : -

un balayage initial à grand débit une surpression de 5 à 20 nb (contrôlée par pressostat sensible, donc volumineux, et luimême de sécurité Ex) - une température maxi. de l'enveloppe en contact avec l'atmosphère explosible - la coupure du courant si les conditions ne sont pas remplies Il faut donc tout un appareillage de contrôle et d'automatisme pour assurer tout cela. En pratique, c'est valable pour une salle de contrôle, mais compliqué pour du matériel de petites dimensions.

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e - Protection par sécurité intrinsèque "i" Le principe n'est plus d'éviter à tout prix une étincelle, ou de l'enfermer, mais de la rendre trop faible pour pouvoir provoquer une explosion. Ce mode de protection est donc limité aux circuits ne réclamant pas de puissance : mesures, instrumentation, petits équipements, … Ceci est principalement obtenu par : -

une séparation par "barrière de sécurité intrinsèque" entre la partie située en zone dangereuse (le capteur, la petite électrovanne, …) et la partie en zone non dangereuse (régulateur, électronique de traitement du signal de mesure, etc.). Cette barrière limite la puissance pouvant aller en zone dangereuse, et ceci avec un fort degré de fiabilité

-

un matériel spécialement étudié pour la zone dangereuse

- une installation cheminant le plus loin possible des zones d'influence de l'installation non de sécurité intrinsèque. (Les câbles "i" ne doivent pas côtoyer les câbles force motrice par exemple). Les câbles pour circuits "i" devront être de couleur bleu-clair Ce type de protection est très intéressant en instrumentation, car le dépannage se fait sans précautions particulières au danger d'explosion (toutefois, une étincelle ne fait jamais de bien à l'équipement électrique). Mais ici, les conditions d'installation sont très strictes sous peine de ne plus être de sécurité, malgré l'emploi de matériel agréé. La norme C 23539 décrit ces conditions d'installation. Encore plus que pour les autres modes de protection, c'est le système complet qui fait la sécurité intrinsèque.

En résumé, s'il existe plusieurs modes de protection du matériel électrique pour zone explosible, il faut se rappeler que cette "protection" n'est réelle que si : -

le matériel a été correctement choisi (classe, température) le matériel a été correctement installé le matériel est correctement entretenu

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2-

ENTRETIEN ET MONTAGE DU MATÉRIEL DE SÉCURITÉ Le personnel de montage et d'entretien du matériel installé en atmosphère explosible joue un rôle direct dans la sécurité de l'installation. a - Entretien - Montage du matériel "Ex - d" (Antidéflagrant) "Joint antidéflagrant" : c'est lui qui assure le laminage et le refroidissement des gaz d'explosion interne vers l'extérieur. C'est un contact de 2 surfaces métalliques finement usinées (6 microns). Il y en a de plusieurs types : plan, cylindrique, à emboîtement, fileté.

Il est caractérisé par sa longueur (L) et son interstice (i) de 0,1 à 0,3 mm selon le volume du matériel. Règle de montage - entretien

- pas de rayures (ne pas le gratter) - pas de peinture - légère couche de graisse pour éviter la corrosion

D SEC 3115 A

Son état de surface doit rester net :

b - Entrées de câbles Si le joint antidéflagrant n'a pas à être véritablement étanche, les entrées de câbles doivent l'être impérativement sous peine de ne plus être antidéflagrant. Donc, ne pas hésiter à changer le caoutchouc du presse-étoupe. S'assurer qu'il correspond bien au diamètre du câble. c - Enveloppes antidéflagrantes Il est interdit de les modifier. En particulier, ne pas les percer pour un nouveau presse-étoupe. La boîte à bornes des moteurs doit être laissée avec le moteur lorsqu'on le démonte (ne pas laisser traîner le câble avec la boîte à bornes. Il faut refaire le presse-étoupe). Extérieurement, le matériel "Ex - d" se distingue par : - un aspect souvent massif - des presse-étoupes imposants - des boulons à tête encastrée (il faut une clé à pipe à 5 pans) - et surtout par sa plaque signalétique où apparaît "Ex - d …" ou "AdF" (pour les anciens matériels)

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d - Entretien - Montage du matériel "Ex - e" (Sécurité Renforcée") Attention : Ce matériel a un aspect extérieur tout à fait standard. Certains constructeurs le distinguent par une couleur noire (boîtes à boutons Télémécanique, Legrand). Donc : Se fier à la plaque signalétique où doit apparaître "Ex - e …". • Câblage Les bornes de raccordement agréées sont dites 'indesserrables" : on trouvera toujours une rondelle élastique ou quelque chose de similaire sous la tête de vis. Il ne faut pas modifier ces borniers. L'usage de "sucres" est interdit. Soigner le dénudage des conducteurs et le sertissage des cosses. La sécurité est basée sur l'absence d'étincelles et d'échauffements. ✳ Conducteur blessé = risque de rupture = risque d'étincelles ✳ Sertissage mal serré = risque d'étincelles et d'échauffements ✳ Cosse mal serrée sur la borne = risque d'étincelles et d'échauffements • Entrées de câbles Pour éviter qu'une traction sur le câble entraîne une détérioration des raccordements décrits ci-dessus, utiliser des presse-étoupes spéciaux "Ex - e" qui maintiennent la gaine extérieure du câble. Attention : ces presse-étoupes n'ont souvent aucun signe extérieur particulier. • Protection des moteurs Dans tous les types de protection "Ex", on doit assurer que la température du matériel en contact avec l'atmosphère explosible ne dépasse pas une valeur donnée. Pour les moteurs "Ex - e", le constructeur assure qu'une telle température ne sera pas dépassée, à condition que le relais thermique de protection soit correctement calibré. En cas d'ennui, le relais doit disjoncter avant que le moteur n'ait atteint cette température. IL EST DONC IMPÉRATIF DE NE PAS SURCALIBRER LE RELAIS THERMIQUE SI L'ON VEUT ASSURER LA SÉCURITÉ. Si ceci est particulièrement critique pour la sécurité renforcée, il reste dangereux de surcalibrer tout moteur en zone explosible, d'autant plus que si on vous demande de le faire, c'est parce que le moteur est sans doute surchargé et donc qu'il va s'échauffer (jusqu'à griller au besoin). SACHEZ DIRE NON - Le problème devra être résolu autrement (soit diminuer la puissance demandée par nettoyage de l'organe entraîné par exemple, soit mettre un moteur plus puissant).

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e - Entretien - Montage des installations "Ex - i" (Sécurité "intrinsèque") Là aussi, et plus qu'ailleurs, les conditions d'installation du matériel sont partie intégrante de la sécurité. • Matériel Le matériel de sécurité intrinsèque ("Si") est souvent en 3 parties : -

l'électronique que l'on place en zone non explosible (matériel "NSI" = non de sécurité intrinsèque)

-

le capteur (de "Si") que l'on place en zone explosible

- la barrière de sécurité ("BSi") qui fait le lien entre les deux, est placée en zone non explosible IMPORTANT : L'agrément "Ex - i" du constructeur doit porter sur l'ensemble des différentes parties (seul cas plus simple : un contact fin de course "sec" devient "Si" en aval d'une BSi prévue pour cela). • Câblage Utiliser des câbles à gaine bleu-clair pour les circuits "Si". Séparer les chemins de câble "S.I." des chemins câbles "NSI" (si pas possible, il faut une séparation physique entre les câbles SI et NSI). Le blindage général du câble SI doit être mis à la terre du côté capteur (et d'un seul côté, comme tout blindage). Par contre, les écrans individuels de chaque paire peuvent rester isolés : leur rôle est de court-circuiter les paires qui seraient écrasées mécaniquement, pour éviter que l'addition de plusieurs circuits "SI" ne devienne dangereuse.

D SEC 3116 A

Dans les coffrets contenant les barrières "BSI", séparer physiquement les circuits "S.I." des circuits "N.S.I.".

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

DANGERS DU COURANT ÉLECTRIQUE POUR L'ÊTRE HUMAIN

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - ACCIDENTS ÉLECTRIQUES ................................................................................................... 1 1 2 -

Gravité des accidents électriques ................................................................................................ 1 Causes des accidents électriques................................................................................................ 1

II - EFFETS DU COURANT ÉLECTRIQUE SUR LE CORPS HUMAIN ......................................... 3 1 2 3 4 5

-

Principales grandeurs électriques ................................................................................................ 3 Résistance du corps humain ........................................................................................................ 3 Conséquences du passage du courant dans le corps humain .................................................... 5 Conséquences d’un flash ...........................................................................................................11 Conduite à tenir en cas d’accident .............................................................................................12

III - PROTECTION DES PERSONNES ......................................................................................... 12 1 2 3 4 5

-

Protection contre les courants directs ........................................................................................ 12 Protection contre les courants indirects...................................................................................... 13 Caractéristiques du matériel électrique...................................................................................... 14 Matériels de chantier .................................................................................................................. 17 Comportement ...........................................................................................................................21

IV - ÉQUIPEMENTS INDIVIDUELS DE PROTECTION ET OUTILLAGE DE SÉCURITÉ ............ 22 1 2 -

Équipements de protection individuelle (EPI) ............................................................................22 Outillage de sécurité...................................................................................................................23

V - CONSIGNATION..................................................................................................................... 26 1 2 3 4 5 6

-

Rôle et étapes d’une consignation .............................................................................................26 Séparation de l’installation des sources de tension ................................................................... 27 Condamnation en position d’ouverture des organes de séparation ........................................... 27 Identification de l’installation consignée .....................................................................................29 Vérification d’absence de tension...............................................................................................29 Attestation de consignation ........................................................................................................ 30

SE HYG - 02509_A_F - Rév. 0

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08/06/2005

-1/E

1

I-

C 5 -1/E

ACCIDENTS ÉLECTRIQUES 1-

GRAVITÉ DES ACCIDENTS ÉLECTRIQUES Les accidents d’origine électrique sont statistiquement plus graves que les autres accidents du travail.

Nombre d’accidents

Nombre d’accidents graves

Nombre d’accidents mortels

Tous types confondus

1000

100

2

Accidents électriques

1000

150

30

Type d’accident du travail

Gravité des accidents électriques

2-

CAUSES DES ACCIDENTS ÉLECTRIQUES Les accidents électriques sont dus principalement : - à la distribution de l’énergie électrique et à la mise à la terre du point neutre des générateurs -

aux installations électriques

-

aux récepteurs électriques fixes, mobiles ou portatifs

- à l’environnement existant dans certains locaux ou emplacements de travail -

aux travaux à proximité des installations électriques

-

au comportement dangereux du personnel

Ils ont pour origine : - des contacts directs : contact avec les parties sous tension en service normal des matériels ou conducteurs électriques. Il y a passage du courant électrique dans le corps humain avec brûlures internes par effet Joule.

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2

D SEC 3134 A

C 5 -1/E

D SEC 3135 A

D SEC 3155 A

Contact direct d’une grue lors de travaux de génie civil

Contact direct d’une grue lors de travaux de levage (avec rupture du câble électrique)

Contact direct d’une main non protégée

- des contacts indirects : contact d’une personne avec une masse mise accidentellement sous tension. Il y a passage du courant électrique dans le corps humain avec brûlures internes par effet Joule. - des défauts électriques : court-circuit, surcharge. Il y a flash électrique avec brûlures en surface.

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3

II -

C 5 -1/E

EFFETS DU COURANT ÉLECTRIQUE SUR LE CORPS HUMAIN 1-

PRINCIPALES GRANDEURS ÉLECTRIQUES Les principales grandeurs électriques sont : - l’intensité I exprimée en ampères (A) : c’est la quantité d’électricité (ou le nombre de charges électriques) qui circule chaque seconde dans un conducteur électrique - la résistance R du conducteur exprimé en ohms (Ω) qui va donc s’opposer plus ou moins, suivant la nature du conducteur, au passage du courant électrique - la tension U exprimée en volts (V) est l’énergie des charges électriques (ou leur potentiel) qui vont circuler dans un conducteur

U = R I Ω

V

2-

A

D SEC 1178 A

Ces 3 grandeurs sont reliées par la loi d’Ohm :

RÉSISTANCE DU CORPS HUMAIN Le corps humain se comporte comme une résistance R au passage du courant. I réseau R

I corps

D SEC 3136 A

U

Résistance du corps humain La résistance du corps humain est très variable. Elle est la somme de la résistance superficielle Rs du point de contact (peau, …) et de la résistance interne R i du corps humain : -

la résistance superficielle Rs dépend : • de la résistance de la peau (à l’entrée et à la sortie du courant) variable en fonction de son état (épaisseur, humidité, …). elle varie de 500 Ω à 4500 Ω • de l’environnement (air humide, sol mouillé, …) • de la surface de contact (bout de doigt, paume de la main, plante des pieds, …) • de la nature des EPI portés (gants, chaussures, combinaison, …)

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4

C 5 -1/E

- la résistance interne Ri dépend de la résistance des tissus et liquides internes en fonction du trajet du courant dans l’organisme. Exemple : trajet main-pied ≅ 400 à 500 Ω (corps nu).

1 2 3 N

D SEC 3137 A

1 2 3 N

Contact direct avec main-main (équipement sous tension)

Contact indirect main-main (défaut d'isolement)

1 2 3 N

D SEC 3138 A

1 2 3 N

Contact indirect main-pied (défaut d'isolement)

D SEC 1502 A

Contact direct main-pied (équipement sous tension)

Sortie du courant lors d’un contact direct main-pied

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5

C 5 -1/E

Les valeurs approximatives de la résistance du corps humain en fonction des conditions du contact électrique sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Condition du contact électrique

Contact : résistance du corps humain

Mains normales non protégées

Main-main : 300 Ω

Local conducteur, peau humide ou en sueur, pieds nus

Main-pied ≅ 1000 Ω

Local ou environnement sec, peau normale, chaussure non isolante

Main-pied ≅ 5000 Ω

Milieu industriel sec, gants de cuir, chaussures isolantes

Main-pied > 50000 Ω

Résistance R du corps humain

3-

CONSÉQUENCES DU PASSAGE DU COURANT DANS LE CORPS HUMAIN a - Gravité La gravité des dommages corporels provoqués par le courant électrique dépend : - de la valeur de l’intensité circulant à travers le corps (fonction de la tension U, de la résistance R et donc du trajet) - de la durée du passage du courant dans le corps. L’échauffement par effet Joule est d’autant plus destructeur qu’il dure longtemps - du trajet du courant et de la susceptibilité particulière de la personne à l’action du courant électrique. Dans l’organisme le courant électrique suit des trajets préférentiels qui passent par les organes offrant la moindre résistance (cœurs, poumons, reins) - du type du courant : d’une façon générale l’alternatif est plus dangereux que le continu à des tensions équivalentes ; les fréquences industrielles (50 ou 60 Hz) sont dans la tranche des fréquences les plus dangereuses Les conséquences d’un accident électrique sont : - l’électrisation accompagnée de brûlures - l’électrocution dans le cas ultime (mort, …)

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6

C 5 -1/E

b - Conséquences du passage du courant Pour des tensions inférieures à 600 V, il est admis en courant alternatif, les conséquences suivantes :

INTENSITÉ (mA)

50

SEUIL MORTEL (1 seconde) Fibrillation cardiaque Syncope

30

SEUIL MORTEL (1 minute) Tétanisation des muscles Risque d'asphyxie

25 Non lacher, répulsion Risque de chute

10

SEUIL DANGEREUX

Secousse électrique

1

SEUIL DE PERCEPTION

0 Conséquences du passage du courant

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D SEC 3139 A

5

7

C 5 -1/E

Certains paramètres étant difficilement quantifiables (en particulier l’influence du temps), les experts ont défini conventionnellement 5 zones temps/intensité caractérisant la nature des risques encourus.

t(ms) 10000 5000 2000 1000 500 200 100 50

1

20 10 0,1 0,2 0,5 1 2

2

3

5 10 20

4

5

50 100 200 500 2000 10000 1000 5000 I(mA) eff.

: Courbe de sécurité Zone 1 : Habituellement, aucune réaction Zone 3 : Habituellement, aucun risque de fibrillation ventriculaire Zone 4 : Fibrillation possible (probabilité < 50%) Zone 5 : Risque de fibrillation (probabilité > 50%)

D SEC 3140 A

Zone 2 : Habituellement, aucun effet physiopatholoqique dangereux

Risques encourus en fonction de l’intensité et du temps de passage du courant

Compte tenu des données scientifiques, des probabilités de danger, de la résistance du corps humain et des caractéristiques de fonctionnement des dispositifs de protection, la réglementation actuelle se base sur la courbe de sécurité pour la protection des personnes contre le risque de déclenchement de fibrillation ventriculaire.

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8

C 5 -1/E

Application Compléter les tableaux ci-dessous. • Tensions 220 V Condition du contact électrique

Contact : résistance du corps humain (Ω )

Peau humide - Pieds nus

Main-pied

Peau normale Chaussures non isolantes

Main-pied

Gants de cuir Chaussure isolante

Main-pied

Intensité du courant traversant le corps (mA)

Conséquences

Intensité du courant traversant le corps (mA)

Conséquences

• Tension 24 V Condition du contact électrique

Contact : résistance du corps humain (Ω )

Peau humide - Pieds nus

Main-pied

Peau normale Chaussures non isolantes

Main-pied

(mA)

Conséquences du courant électrique

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D SEC 3141 A

Conclusions ? :

9

C 5 -1/E

c - Effets du passage du courant • Tétanisation musculaire Les muscles se crispent sans contrôle possible pour la victime, mais tout s’arrête dès que le courant disparaît. Conséquences : -

si c’est un muscle extenseur, la victime est éjectée. Plus de contact avec le courant, mais choc, chute … entraînant l’accident

- si c’est un muscle fléchisseur, on reste “collé”. Si le courant est arrêté rapidement l’incident n’est pas trop grave, dans le cas contraire, aggravation et asphyxie pouvant aller jusqu’à la mort • Fibrillation ventriculaire Les fibres cardiaques se contractent de manière anarchique. Les battements du cœur rapides et désordonnés ne permettent plus d’assurer la circulation sanguine.

Passage du courant

Fonctionnement normal

Fibrillation ventriculaire

ECG

400 ms

800 mm Hg 400 0

D SEC 3142 A

120

Tension artérielle

Cycle cardiaque

Le sang oxygéné dans les poumons ne va plus alimenter en oxygène les cellules et notamment celles du cerveau.

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10

C 5 -1/E

D SEC 1498 A

La fibrillation ne s’arrête pas spontanément, seul l’usage d’un fibrillateur permet de rétablir le synchronisme des contractions musculaires.

Utilisation d’un défibrillateur sur un électrisé (trajet épaule-pied)

• Brûlures À partir de 5 à 6 A, on n’observe plus de fibrillation ventriculaire mais des brûlures importantes de la peau et des tissus internes. Cette destruction peut entraîner : la nécessité d’amputer la partie atteinte la mort par blocage des reins jusqu’à 3 à 4 jours après l’accident

D SEC 1499 A

-

Brûlures dues au contact direct d’un élément sous tension

02509_A_F

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11

4-

C 5 -1/E

CONSÉQUENCES D’UN FLASH La gravité des dommages corporels dépend : -

de la violence du flash (tension mise en jeu, …) de la distance

Il peut y avoir : brûlures par effets thermiques en surface, par rayonnements ultraviolets brûlures par projection de métal en fusion aveuglement par intensité lumineuse chute ou gestes incontrôlés

D SEC 3009 E

D SEC 3009 D

-

Flash électrique et brûlures par effets thermiques

5-

CONDUITE À TENIR EN CAS D’ACCIDENT Dans tous les cas, mais particulièrement s’il y a eu “choc électrique” (tétanisation ou fibrillation) la survie de la victime dépend de l’urgence avec laquelle les soins sont apportés : - dégager la victime, après avoir coupé le courant, s’il s’agit de basse tension - alerter les secours compétents - alerter l’EDF si haute tension - pratiquer les gestes élémentaires de survie (position latérale de sécurité ou bouche à bouche si le sujet ne respire pas)

02509_A_F

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12

C 5 -1/E

III - PROTECTION DES PERSONNES Pour minimiser les dangers du courant électrique, on peut : -

1-

soit mettre hors tension les équipements (consignation) soit protéger les personnes contre les courants directs et indirects)

PROTECTION CONTRE LES COURANTS DIRECTS Il s’agit de mettre hors de portée des personnes, tous les conducteurs habituellement sous tension : - par éloignement (exemple : distance à respecter entre les lignes aériennes et des travaux de levage) 57.000 V ou plus : 5m Moins de 57.000 V : 3m

3m

D SEC 3143 A

5m

Protection par éloignement

Risques électriques

D SEC 1191 F

- en intercalant un obstacle (exemple : capot, porte, …) avec panneau d’avertissement

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13

C 5 -1/E

D SEC 3144 A

- par isolation (mise en place de manchons, panneaux isolants)

Manchons et panneaux isolants sur câbles sous tension

2-

PROTECTION CONTRE LES COURANTS INDIRECTS a - Mise à la terre des masses des récepteurs Cette méthode est valable seule si la résistance de la prise de terre est faible, ce qui n'est pas toujours facile à réaliser. Cela nécessite l'adjonction d'un dispositif différentiel qui coupe automatiquement l'alimentation dès que le potentiel des masses dépasse 25 à 50 V. b - Dispositifs de protection à courant différentiel résiduel (DR) Il détecte une défaillance de l'isolement de l'alimentation se traduisant par un déséquilibre des courants dans les conducteurs. Lorsque l'intensité du courant de départ qui s'écoule dans la prise de terre atteint la valeur seuil (30 mA), l'alimentation est automatiquement coupée. Associé dans un même appareil à la protection contre les surintensités, il est appelé disjoncteur différentiel. c - Protection par séparation des circuits Réalisée par un transformateur de sécurité équipé donc de 2 bobinages (le primaire côté distribution, le secondaire côté récepteur) et permettant ainsi de séparer les appareils électriques récepteurs de la source d'alimentation. Ce moyen est efficace à la condition expresse qu'aucun point du circuit secondaire ne soit réuni à la terre. d - Utilisation de la très basse tension Elle est obligatoire : - dans les locaux et sur les emplacements de travail où la poussière, l'humidité, l'imprégnation par des liquides conducteurs, etc. exercent habituellement leurs effets, chaque fois qu'il n'est pas possible de maintenir ces installations à un bon niveau d'isolement - pour les travaux effectués à l'aide d'appareils portatifs à main à l'intérieur d'enceintes conductrices exiguës où la résistance de contact entre utilisateur et parois est très faible (cf. arrêté du 7 Décembre 1988) e - Utilisation de matériel électrique de classe II ou double isolation Ce type de matériel est défini par les “caractéristiques du matériel électrique”.

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14

3-

C 5 -1/E

CARACTÉRISTIQUES DU MATÉRIEL ÉLECTRIQUE Le matériel doit être conçu et réalisé de telle façon qu'il ne puisse être à l'origine de brûlures, incendie ou explosions, dû : -

à des surcharges à la projection d'étincelles aux matières présentes dans l'environnement et susceptibles de s'enflammer

a - Classes (norme NFC 20-030) : 0 : matériel dans lequel la protection contre les chocs électriques ne repose que sur l'isolation principale. Aucune disposition n'est prévue pour raccorder les parties conductrices accessibles à un conducteur de protection faisant partie du câble d'alimentation Matériel interdit dans les lieux dont les sols et parois ne sont pas isolants

– symbole

– câble

2 conducteurs + 1 "terre"

D SEC 3145 A

I : matériel dans lequel la protection contre les chocs électriques repose sur l'isolation principale (des parties actives) et sur le raccordement des parties conductrices accessibles à un conducteur de protection (vert et jaune) incorporé au câble d'alimentation et permettant la mise à la terre :

II : matériel dans lequel la protection contre les chocs électriques repose sur l'isolation principale et sur une double isolation ou une isolation renforcée.

– symbole

– câble

2 conducteurs

D SEC 3146 A

Il ne comporte pas de moyens permettant de relier les parties métalliques accessibles, s'il en existe, à un conducteur de protection :

III : matériel dans lequel la protection contre les chocs électriques repose sur l'alimentation TBTS ou TBTP

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15

C 5 -1/E

b - Degré de protection des enveloppes (norme NF C 20-010) L’appareil électrique doit être adapté au milieu. L’indice de protection définit ses caractéristiques d’adaptabilité. Le code IP est constitué de 2 chiffres caractéristiques (exemple : IP 55) et peut être étendu au moyen d'une lettre additionnelle lorsque la protection réelle des personnes contre l'accès aux parties dangereuses est meilleure que celle indiquée par le premier chiffre (exemple : IP 20C) : Tout chiffre caractéristique non spécifié est remplacé par un X (exemple : IP XXB). 1 er chiffre caractéristique Protection du matériel contre la pénétration de corps solides étrangers

Protection des personnes contre l'accès aux parties dangereuses avec

2 ème chiffre caractéristique

Lettre additionnelle

Protection du matériel contre la pénétration de l'eau avec effets nuisibles

Protection des personnes contre l'accès aux parties dangereuses avec

0 (non protégé)

(non protégé)

0 (non protégé)

A dos de la main

1 de diamètre ≥ 50 mm

dos de la main

1 gouttes d'eau verticales

B doigt

2 de diamètre ≥ 12,5 mm

doigt

2 gouttes d'eau (15° d'inclinaison)

C outil Ø 2,5 mm

3 de diamètre ≥ 2,5 mm

outil Ø 2,5 mm

3 pluie

D fil Ø 1 mm

4 de diamètre ≥ 1,0 mm

fil Ø 1 mm

4 projection d'eau

5 protégé contre la poussière

fil Ø 1 mm

5 projection à la lance

6 étanche à la poussière

fil Ø 1 mm

6 projection puissante à la lance 7 immersion temporaire 8 immersion prolongée

• Degré de protection contre les chocs mécaniques Conformément à la norme NF C 20-010, le degré de protection contre les chocs mécaniques peut être symbolisé par un chiffre caractéristique de 0 à 9 soit faisant suite aux deux chiffres des degrés IP (exemple IP 55-9), soit indiqué séparément du code IP. c - Utilisation en atmosphères explosives (normes NF C 23-514 à 520 et 528) Sept modes de protection sont prévus : o: immersion dans l'huile p: surpression interne q: remplissage pulvérulent d: enveloppe antidéflagrante e: sécurité augmentée i : sécurité intrinsèque m : en capsulage

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16

C 5 -1/E

d - Protection contre l'échauffement L'installation est protégée contre l'échauffement dû à des surcharges, par des dispositifs préréglés qui entraînent la coupure d'alimentation si le seuil de réglage est dépassé. En conséquence : - éviter d'augmenter le nombre ou la puissance des appareils en service sans vérifier si la capacité de l'installation le permet - respecter le calibre des fusibles - ne pas modifier le réglage des dispositifs de protection - ne jamais redémarrer un appareil électrique sans connaître la cause de arrêt

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4-

C 5 -1/E

MATÉRIELS DE CHANTIER a - Installations provisoires de chantier Pendant les travaux (travaux neufs, travaux d’entretien, …) les installations provisoires de chantier doivent respecter des règles strictes de sécurité explicitées sur le schéma ci-dessous. Prise de courant 380 volts avec protection différentielle 500 mA Fiche étanche Presse étoupe serré Câble Long. max : 20 m sec mini : 25 mm2

Câble en bon état Conducteur de terre incorporé au câble Étanche au jet Sectionnement extérieur

Coffret de répartition avec prises de courant équipées d'une protection différentielles 30 mA et disjoncteur de tête 125 A maxi

Fermé à clé Presse étoupe serré

Fiches

Câble en bon état Conducteur de terre incorporé au câble

Câble

Boîte à bornes étanche au jet Groupe de soudure Transformateur de sécurité 24 volts

Baladeuse Principales règles électriques d’installations provisoires de chantier 02509_A_F

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D SEC 1169 A

Coffret étanche au jet

18

C 5 -1/E

b - Outils électriques portatifs à main • Cas général Les matériels portatifs peuvent être alimentés en : -

TBTS ou TBTP

- en BTA avec transformateur de séparation de classe II, n'alimentant qu'un seul appareil de classe II, ou un appareil de classe I dont la "terre" est raccordée à l'ensemble des éléments conducteurs constituant l'enceint (déconseillé) • Enceintes conductrices Le matériel doit être impérativement TBTS ou TBTP.

Capacité

Coffret transformateur Sortie 24 V

vers baladeuses très basse tension

Passerelle

Câble électrique unique Matériel électrique à utiliser dans une enceinte conductrice

Le coffret transformateur de sécurité doit être placé à l’extérieur de l’enceinte.

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D SEC 3147 A

Entrée du 220 V 30 mA Disjoncteur différentiel

Coffret répartiteur

19

C 5 -1/E

Les baladeuses doivent : -

répondre à la norme NF C 71-008

Grille de protection fixée rigidement au corps de la baladeuse

Verrine de protection de la lampe

Crochet ou pince fixée rigidement au corps de la baladeuse

Douilles à vis à "chemise coupée" protégée contre la rotation

Câble au moins équivalent au type H05 RN-F, non séparable de la baladeuse D SEC 1167 A

XXX

71.008

Enveloppe et poignée isolantes

Monogramme de conformité à la norme NF C71 008 Baladeuse de chantier

-

avoir un degré de protection IP 45 minimum (IP 44 pour les cordons prolongateurs)

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20

C 5 -1/E

• Atmosphères explosives (ATEX) L'utilisation de la TBT ne présente de sécurité que vis-à-vis du risque d'électrocution mais pas vis-à-vis du risque d'explosion. Concernant l'éclairage portatif, il existe des éclairages de sécurité ATEX : -

baladeuse de type d (changement d'ampoules hors tension)

D SEC 1503 A

- lampes autonomes à sécurité e et i (remplacement des piles et ampoules hors des zones dangereuses)

Lampe autonome de sécurité ATEX

Certains petits matériels (multimètre, calculatrices, …) s’ils ne sont pas à sécurité intrinsèque nécessite, avant utilisation, un permis de feu.

02509_A_F

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21

5-

C 5 -1/E

COMPORTEMENT – Vérifier les mises à la terre. – Matériel électrique en bon état. Vérifier le bon état des outils électriques portatifs et des conducteurs souples de raccordement : signaler tout branchement électrique ou tout conducteur présentant des défauts. – Ne pas toucher aux connections électriques ou aux câbles nus. – Ne se brancher qu’aux endroits prescrits.

D SEC 3148 A

– Faire entretenir le matériel par des personnes qualifiées.

Prolongateur défectueux de chantier

Connexion électrique de chantier convenable

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22

C 5 -1/E

IV - ÉQUIPEMENTS INDIVIDUELS DE PROTECTION ET OUTILLAGE DE SÉCURITÉ 1-

ÉQUIPEMENTS DE PROTECTION INDIVIDUELLE (EPI) La personne qui effectue des travaux d’ordre électrique ou au voisinage doit être munie d’équipements assurant sa sécurité : - casque en plastique d’électricien (isolation électrique et mécanique)

D SEC 3149 A

- lunettes ou visière anti UV

Casques - Lunettes - Visière d’électricien

- gants isolants : • adaptés à la tension concernée par l’intervention ou les travaux • vérifiés fréquemment (absence de trou, déchirure, cassure) • rangés dans un coffret mural marqué “gants isolants” • en aucun cas utilisés pour effectuer des opérations de manutention

D SEC 3150 A

• recouverts de gants de protection mécanique si les travaux à effectuer entraînent des risques d’écorchure, perforation

Gants isolants pour tension ≤ 500 v (norme CE 1903)

Gants isolants recouverts de gants de protection mécanique après un flash électrique

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23

C 5 -1/E

- chaussure de sécurité isolante :

D SEC 1487 B

• résistance minimale de la semelle 100000 Ω • résistance maximale de 106 Ω pour évacuer les charges d’électricité statique

Semelle isolante Chaussures à semelle isolante Attention ! Ces chaussures ne protègent que contre un contact corps-pied.

2-

OUTILLAGE DE SÉCURITÉ a - Tabouret et tapis isolant L’emploi d’un tabouret ou d’un tapis isolant (en plus de gants et visière) est obligatoire pour toutes les manœuvres d’appareils de séparation HT, disjoncteur, interrupteur, sectionneur ainsi que pour l’utilisation de perche de manœuvre. Attention : à la tension nominale des ouvrages à la fixation des pieds et à leur propreté

D SEC 3151 A

-

Tabouret isolant normalisé

Tapis isolant BT et HTA (≤ 33 kV)

02509_A_F

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24

C 5 -1/E

b - Perches isolantes Perche de sauvetage et perche de manœuvre (accrochage de tresses provisoires de mise à la terre par exemple) doivent être : appropriées à la tension d’utilisation propres, sèches sans fêlure, ni déchirure de l’isolant

Perche de sauvetage

Perche isolante de manoeuvre

D SEC 3152 A

-

c - Matériel électro-secours Il s’agit de coffrets contenant : -

un tabouret isolant une perche avec, à son bout, un crochet et un indicateur de tension une paire de gants isolants une paire de chaussons isolants en caoutchouc

Ils doivent être utilisés par du personnel habilité et formé, en cas d’accident (voltage < 63000 V).

D SEC 3153 A

Ils sont implantés en sous-stations électriques.

Coffret électro secours

Matériel électro secours en sous-station électrique

02509_A_F

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25

C 5 -1/E

d - Vérificateur d’absence de tension (V.A.T.) Ce sont des matériels spéciaux, différents des voltmètres indicateurs. Ils peuvent être du type lumineux ou sonore. Ils sont utilisés notamment au cours des opérations de consignation, préalablement à la mise à la terre et en court-circuit, pour vérifier l’absence de tension de service. Ils doivent être : -

adaptés à la tension d’utilisation

Bssse tension

Haute tension Vérificateurs d’absence de tension

02509_A_F

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D SEC 1500 A

- vérifiés avant et après chaque utilisation à l’aide d’un dispositif à source indépendante prévue par le constructeur ou à défaut, à l’aide de portées actives restées sous tension

26

V-

C 5 -1/E

CONSIGNATION 1-

RÔLE ET ÉTAPES D’UNE CONSIGNATION Tout travail hors tension sur une installation électrique doit être précédée d’une mise en sécurité dont la procédure s’appelle consignation. La consignation se décompose en quatre phases : -

séparation condamnation identification vérification d’absence de tension

+

+ Sol humide

+ +

+

+

OUI

NON

Tête: risque de contacts ou de chocs

OUI

Le local reste ouvert en l'absence de l'électricien

OUI

NON Séparation Condamnation signalisation Identification VAT Y a-t-il une source autonome sur le circuit (onduleur,condensateurs, etc)

OUI

Éliminer le risque en ouvrant le circuit

OUI

Mise à la terre et en court-circuit

Y a-t-il un risque de retour de courant par effet capacitif (c‚ble de grande longueur, ou // à une ligne H.T.) NON

Intervention

Étapes d’une consignation 02509_A_F

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D SEC 1501 A

NON

27

2-

C 5 -1/E

SÉPARATION DE L’INSTALLATION DES SOURCES DE TENSION L’installation doit pouvoir être séparée de sa source d’énergie par un dispositif de sectionnement agissant directement sur les circuits de puissance. Au-delà de 500 V, ce sectionnement doit être réalisé par un dispositif (interrupteur-sectionneur, sectionneur, …) garantissant une séparation pleinement apparente. La certitude de la séparation peut être obtenue de différentes manières : -

par une vue directe des contacts séparés par enlèvement de pièces de contacts pour certains matériels spéciaux par interposition d’un écran entre les contacts

Pour toutes les tensions, la dépose de ponts, l’enlèvement de fusibles, le retrait d’une fiche de prise de courant constituent une séparation certaine. La séparation concerne tous les conducteurs actifs, neutres y compris. Ne pas oublier de séparer aussi les circuits de télécommande.

3-

CONDAMNATION EN POSITION D’OUVERTURE DES ORGANES DE SÉPARATION La condamnation a pour but d’interdire la manœuvre de l’organe de séparation. Elle comprend : - une immobilisation de l’organe : celle-ci est réalisée par blocage mécanique (cadenas, …), ou son équivalent à l’aide de dispositifs offrant les mêmes garanties - une signalisation : les commandes locales ou à distance d’un organe de séparation ainsi condamné doivent être munies d’une indication, pancarte ou tout autre dispositif d’affichage, signalant explicitement, que cet organe est condamné et ne doit pas être manœuvré Toutefois, dans les installations du domaine de tension inférieure à 500 V en courant alternatif, l’apposition d’une pancarte interdisant la manœuvre du dispositif de sectionnement est admise lorsque ce dispositif n’est pas conçu pour permettre le verrouillage mécanique. Si plusieurs personnes sont concernées, autant de cadenas, autant de signalisations. La condamnation peut être réalisée par une personne non habilitée, s’il n’y a aucun risque électrique.

02509_A_F

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28

D SEC 1496 A

C 5 -1/E

Séparation-condamnation d'un tiroir électrique en sous-station

Séparation-condamnation d'un contacteur en dehors d'une sous-station

D MEQ 2214 B

Les pancartes de signalisation doivent être visibles et porter une inscription, telles que :

Exemple de signalisation apposée sur un sectionneur La suppression d’une condamnation ne peut être faite que par la personne qui l’a effectuée ou par un remplaçant désigné.

02509_A_F

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29

4-

C 5 -1/E

IDENTIFICATION DE L’INSTALLATION CONSIGNÉE Elle a pour but de s’assurer que les travaux sont effectués sur l’installation ou l’équipement consigné. Pour cela, les schémas et le repérage des éléments doivent être lisibles, permanents et à jour. L’identification comprend le marquage, parfois le balisage de la zone concernée, de façon à ce qu’aucun risque de confusion de subsiste.

5-

VÉRIFICATION D’ABSENCE DE TENSION Dans tous les cas, la vérification d’absence de tension aussi près que possible du lieu de travail, doit être effectuée sur chacun des conducteurs actifs, y compris le neutre, à l’aide d’un dispositif spécialement conçu à cet effet et répondant aux normes en vigueur. Sur certaines installations, la vérification directe d’absence de tension n’est pas possible (matériel protégé par exemple). Dans ce cas, il y a lieu d’appliquer les dispositions particulières qui doivent être indiquées par le constructeur pour ce matériel. La mise à la terre et en court-circuit doit intéresser tous les conducteurs, y compris le neutre et être réalisée de part et d’autre de la zone de travail. La vérification d’absence de tension, immédiatement suivie de la mise à la terre et en court-circuit, est le plus sûr moyen d’assurer la prévention. La mise en court-circuit est un moyen pratique de se prémunir contre les réalimentations par des sources autonomes fréquemment utilisés dans les établissements industriels.

6-

ATTESTATION DE CONSIGNATION L’ensemble de ces opérations doit être inscrit sur un document, l’attestation de consignation pour travaux, signé par la personne responsable de la consignation, et remis à la personne chargée de la réalisation des travaux qui le signe “pour accord”, avant d’ouvrir le chantier.

02509_A_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

HABILITATIONS ÉLECTRIQUES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - RÉGLEMENTATION ................................................................................................................. 1 1 2 -

Différents types de travaux...........................................................................................................1 Habilitation ...................................................................................................................................1

II - CLASSEMENT DES TENSIONS .............................................................................................. 2 III - HABILITATIONS........................................................................................................................ 2 1 2 3 4

-

Symboles d’habilitation.................................................................................................................2 Principales habilitations................................................................................................................ 3 Carte individuelle d’habilitation .....................................................................................................5 Types de travaux.......................................................................................................................... 6

SE HYG - 02524_A_F - Rév. 0

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-1/F

1

I-

C 5 -1/F

RÉGLEMENTATION 1-

DIFFÉRENTS TYPES DE TRAVAUX La législation (décret 88-1056 du 14 novembre 1988 et arrêtés annexes) fixe les modalités pratiques pour la protection du personnel dans les établissements mettant en œuvre des courants électriques. Dans le cadre des travaux, il est nécessaire de faire la distinction entre travaux d’ordre électrique et travaux d’ordre non électrique. a - Travaux d’ordre électrique Travaux comportant une intervention sur les conducteurs et/ou les équipements pouvant être mis sous tension ainsi que les dispositifs assurant leur protection. Exemples : panneaux de cellules, couvercles de boîtes à bornes, etc. Ces travaux doivent être confiés à des personnes qualifiées dans le domaine électrique. Celles-ci doivent être formées et habilitées vis-à-vis du risque électrique. b - Travaux d’ordre non électrique Travaux effectués sur des équipements liés au réseau mais dont la nature n’implique pas d’intervention sur les conducteurs, les pièces sous tension et leurs dispositifs de protection. Exemples : révision d’une pompe entraînée par moteur électrique, réparation du câble d’un carpuller aux postes de chargement. Ces travaux peuvent être confiés à des personnes non qualifiées dans le domaine électrique, mais ayant reçu une formation à la sécurité électrique et habilitées à cet effet.

2-

HABILITATION Être habilité, c’est être reconnu, par l’employeur de la personne habilitée, comme capable d’accomplir son travail en veillant à sa propre sécurité et à celle des autres. Il existe plusieurs types d’habilitation qui dépendent : -

de la classe de tension du type de travail et de la nature de l’opération

L’habilitation n’est pas directement liée à la classification professionnelle.

02524_A_F

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2

II -

C 5 -1/F

CLASSEMENT DES TENSIONS Valeurs de la tension nominale U n exprimée en volts

Domaines de tension

Très basse tension (Domaine TBT) (3)

en courant alternatif (2)

en courant continu (1)

U n ≤ 50

U n ≤ 120

Basse tension

Domaine BTA

50 < Un ≤ 500

120 < Un ≤ 750

(Domaine BT)

Domaine BTB

500 < Un ≤ 1000

750 < Un ≤ 1500

Haute tension

Domaine HTA

1000 < Un ≤ 50 000

1500 < Un ≤ 75 000

(Domaine HT)

Domaine HTB

U n > 50 000

U n > 75 000

(1) Le courant continu lisse est celui défini conventionnellement par un taux d'ondulation non supérieur à 10 % en valeur efficace, la valeur maximale de crête ne devant pas être supérieure à 15 %. Pour les autres courants continus, les valeurs de tensions nominales sont les mêmes pour le courant alternatif. (2) Fréquences < 1000 Hz. (3) TBTS : très basse tension de sécurité (≤ 25 V) TBTP : très basse tension de protection (≤ 12 V) Pour les locaux ou emplacements mouillés

III - HABILITATIONS 1-

SYMBOLES D’HABILITATION L’habilitation est symbolisée de manière conventionnelle par une ou plusieurs lettres majuscules suivies d’un indice numérique. a - Lettres La première lettre indique le domaine de tension sur lequel le titulaire de l’habilitation peut travailler ou intervenir.

Première lettre

Domaine de tension autorisée

B

TBT ou BT

H

HT

Domaines de tension autorisée

02524_A_F

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3

C 5 -1/F

La seconde lettre, si elle existe, précise la nature des opérations que le titulaire peut réaliser. Deuxième lettre

Domaines d’opérations autorisées

R

Interventions de dépannage ou de raccordement, mesurages, essais, vérifications sur ouvrage du domaine BT

C

Consignation

T

Travail sous tension

N

Travaux de nettoyage sous tension

V

Travail au voisinage Domaines d’opérations autorisées

b - Indices numériques L’indice numérique précise la fonction du titulaire habilité. Indice

Fonction concernée

Indice 0

Personnel réalisant exclusivement des travaux d’ordre non électrique et/ou des manœuvres permises

Indice 1

Exécutant des travaux d’ordre électrique et/ou des manœuvres

Indice 2

Chargé de travaux d’ordre électrique quel que soit le nombre d’exécutants placés sous ses ordres Fonction concernée par l’habilitation

2-

PRINCIPALES HABILITATIONS a - Tableau récapitulatif Opérations Habilitation du personnel

Travaux

Intervention du domaine BT

Hors tension

Sous tension

Non électricien

BO ou HO

/

/

Exécutant électricien

B1 ou H1

B1T ou H1T

BR

Chargé d'intervention

/

/

Chargé de travaux

B2 ou H2

B2T ou H2T

/

Chargé de consignation

BC ou HC

/

BC

Agent de nettoyage

BO ou HO

BN ou HN

/

Principales habilitations 02524_A_F

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4

C 5 -1/F

b - Commentaires : - pour les personnes habilitées à travailler au voisinage des ouvrages sous tension du même domaine de tension, il y a lieu d’adjoindre la lettre V aux symboles BO, B1, B2, HO, H1, H2 - une habilitation BC ou HC n’entraîne pas l’attribution des autres types d’habilitation et vice-versa - une habilitation BR entraîne automatiquement l’habilitation B1 - le surveillant de sécurité est une personne habilitée BT ou HT et nommément désignée par l’employeur et ce au cas par cas. Il doit être au minimum : • 0 pour des opérations d’ordre non électrique • 1,2 ou BR pour des opérations d’ordre électrique - une même personne peut cumuler des habilitations de symboles différents - des habilitations spéciales non symbolisées peuvent être délivrées pour des besoins particuliers ; elles doivent alors définir sans ambiguïté le domaine de tension ainsi que la nature et les limites des opérations auxquelles elles s’appliquent Application

HABILITATION ? :

HABILITATION ? :

Peintre sur boîtier électrique sous tension

Surveillant de sécurité électrique

02524_A_F

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D SEC 1495 A

Quelles habilitations doivent respectivement posséder le peintre et le surveillant de sécurité dans les situations ci-dessous ?

5

3-

C 5 -1/F

CARTE INDIVIDUELLE D’HABILITATION Les symboles d’habilitation sont reportés sur une carte individuelle signée par l’employeur et l’habilité. Le titulaire doit porter cette carte sur lui au cours du travail. Les habilitations doivent être revues annuellement. Un modèle type de carte d’habilitation est reproduit ci-dessous.

TITRE D’HABILITATION ÉLECTRIQUE N° Nom : ............................................................................... Fonction :...................................................................... Prénom : ....................................................................... Affectation : ...................................................................... Date de naissance : ........................................................... Validité :......................................................................

Symbole d’habilitation

Personnel

Champ d’application Domaine de tension

Ouvrages concernés

Non électricien Exécutant électricien Chargé de travaux ou d’interventions Chargé de consignation Habilités spéciaux

Le titulaire,

Pour le chef d’entreprise

Signature :

Nom et prénom : Fonction :

Date :

Signature

Carte d’habilitation (recto)

02524_A_F

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Indications supplémentaires

6

C 5 -1/F

————————————————— CODIFICATION ———————————————————— –

Ce titre doit comporter les indications suivantes : • • • • • • • • • • •

l’une des majuscules B ou H, distinctive du domaine de tension dans lequel le titulaire peut être amené à exercé son activité l’un des indices 0, 1, 2 ou 2ème lettre R ou C, fixant les attributions qui peuvent lui être confiées l’aptitude à travailler sous tension (lettre T ajoutée à B1-B2 ou exceptionnellement à H1-H2) l’aptitude à nettoyer sous tension (lettre N ajoutée à B ou H) l’autorisation à travailler au voisinage de pièces nues sous tension (avec lettre V ou indication, en toutes lettres, dans la colonne INDICATIONS SUPPLÉMENTAIRES) l’absence d’une indication à valeur d’interdiction l’habilitation d’indice 2 implique celles des indices 0 et 1 l’habilitation d’indice 1 implique celle d’indice 0 l’habilitation BR implique l’habilitation B1, mais celle-ci peut être supprimée en l’indiquant dans la colonne INDICATIONS SUPPLÉMENTAIRES le personnel non électricien effectuant de petites interventions de dépannage prédéterminées doit être habilité BS les habilitations d’indices 0, 1, 2 ou de 2 ème lettre R permettent d’être désignés comme surveillant de sécurité électrique dans le même champ d’application que celui fixé par le titre d’habilitation. Cette désignation est toujours ponctuelle

————————————————————— AVIS —————————————————————— – – – –

Le présent titre d’habilitation est établi et signé par l’employeur ou son représentant et remis à l’intéressé qui doit également le signer. Ce titre est strictement personnel et ne peut être remis à des tiers. Il est valable 1 an. Le titulaire doit être porteur de ce titre pendant les heures de travail ou le conserver à sa portée. La perte éventuelle de ce titre doit être signalée immédiatement au supérieur hiérarchique. Cette habilitation n’autorise pas à elle seule son titulaire à effectuer de son propre chef les opérations pour lesquelles il est habilité. Il doit, en outre, être désigné par son chef hiérarchique pour l’exécution de ces opérations.

Carte d’habilitation (verso)

4-

TYPES DE TRAVAUX a - Travaux d’ordre non électrique Ils peuvent être entrepris suivant les prescriptions ci-après : - tous les risques électriques ont été supprimés sur les pièces ou leur environnement : les travaux peuvent être entrepris sans prescription complémentaire - les risques proches ont été supprimés, mais il reste dans l’environnement des risques électriques ; les dispositions suivantes sont à prendre suivant le cas : • le personnel non habilité travaille sous les ordres d’un chargé de travaux habilité : celui-ci doit assurer ou faire assurer la surveillance permanente de tous les membres de l’équipe qu’il dirige • le personnel non habilité travaille sous la surveillance permanente d’un surveillant de sécurité électrique habilité 1 ou 0 (de ce fait il ne peut être chargé de travaux) : celui-ci doit assurer la surveillance de tous les membres de l’équipe • le personnel habilité 0 travaille sous les ordres d’un chef du chantier habilité 0 : la surveillance permanente n’est plus requise

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C 5 -1/F

b - Travaux hors tension Si l’habilitation ne comporte qu’une lettre B ou H et un indice 1 ou 2, peuvent être effectués uniquement des : -

travaux hors tension et hors du voisinage de pièce sous tension

Pour être habilité à travailler au voisinage de pièces sous tension, les titres d’habilitation comportent en plus la lettre V. c - Travaux sous tension Pour effectuer sous tension des opérations de nettoyage tels que brossage, aspiration ou lavage, le symbole d'habilitation doit se terminer par la lettre N. Lorsque l'opération sous tension est un travail, le symbole d'habilitation se termine par un T. Trois méthodes de travail peuvent être mises en œuvre : - le travail "au contact" signifie que l'on pénètre dans la zone située entre les pièces sous tension et la distance minimale d'approche -

dans un travail "à distance" on reste au-delà de la distance minimale d'approche. On travaille alors avec des outils fixés au bout de supports isolants, adaptés à la classe de tension

-

dans un travail "au potentiel" la personne est portée au potentiel de la pièce sur laquelle elle travaille. Elle est complètement isolée du potentiel de la terre

d - Travail au voisinage La notion de voisinage est liée à la distance qui doit séparer la personne des pièces sous tension. Cette distance limite entre "voisinage" et "hors voisinage" varie avec la valeur de la tension.

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C 5 -1/F

• À l’intérieur des locaux électriques

D MEQ 1823 A

Basse tension

Haute tension

L’UTE C 18-510 définit 4 zones d’environnement en fonction de la distance minimal d’approche et de la distance limite de voisinage.

Distance aux pièces nues sous tension Pièces nues sous tension Zones d’environnement pour des tensions alternatives

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C 5 -1/F

Ces zones d’environnement conditionnent les zones de travail, c’est-à-dire les zones dans lesquelles un travailleur est appelé à évoluer : - zone de travail hors tension • zone 1 dans les domaines TBT-S, TBT-P (si Un < 25 V ~ ou 60 V =), BT et HT - zone de travail au voisinage de pièces nues sous tension • zone 2 dans le domaine HT • zone 4 dans les domaines TBT-F et BT - zone de travail sous tension • zone 3 dans le domaine HT • zone 4 dans les domaines TBT-F et BT • À l’extérieur des locaux électriques Les distances d’éloignement sont de -

3 mètres pour les lignes aériennes de tension < 57000 V 5 mètres pour celles ≥ 57000 V

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

ÉLECTRICITÉ STATIQUE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - CHARGES ÉLECTRIQUES ...................................................................................................... 1 1 2 3 4

-

Électrisation d’un corps ................................................................................................................ 1 Nature des charges électriques ...................................................................................................3 Force - Potentiel - Champ électrostatique ....................................................................................6 Condensateur - Énergie emmagasinée........................................................................................ 7

II - MANIFESTATION DU PHÉNOMÈNE D’ÉLECTRICITÉ STATIQUE ........................................ 8 1 2 3 4

-

Apparition des charges électriques .............................................................................................. 8 Facteurs favorisant la formation d’étincelles ................................................................................9 Exemples typiques d’électrisations .............................................................................................. 9 Types de décharge.....................................................................................................................12

III - DANGER D’UNE DÉCHARGE ÉLECTROSTATIQUE ............................................................ 14 IV - MESURES GÉNÉRALES DE PROTECTION CONTRE L’ÉLECTRICITÉ STATIQUE ........... 16 1 2 3 4

-

Mesures préventives .................................................................................................................. 16 Mesures curatives ...................................................................................................................... 16 Exemples de mise à la terre et liaisons équipotentielles ............................................................ 20 Précautions dans les opérations d’exploitation ..........................................................................21

SE FEU - 02477_A_F - Rév. 1

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08/06/2005

-2

1

I-

C 5 -2

CHARGES ÉLECTRIQUES 1-

ÉLECTRISATION D’UN CORPS a - Expériences Un bâton d’ébonite, tenu à la main et frotté avec une fourrure ou avec un tissu de laine, de soie, de fibres synthétiques, acquiert la propriété d’attirer les corps légers sur la partie frottée (figure cidessous) ; on dit qu’il s’électrise par frottement.

D SEC 3069 A

Le bâton d’ébonite, électrisé par frottement, attire de petits morceaux de papier.

On peut répéter l’expérience en frottant de la même façon un bâton de verre, une règle ou un stylo en matière plastique. Par exemple, si la poussière a tendance à adhérer sur la surface d’un disque de musique, c’est parce que le frottement de tête de lecture a électrisé la matière plastique du disque. D’autre part, une tige métallique, en cuivre ou en laiton, bien que très énergiquement frottée avec la même fourrure ou le même tissu, n’attire pas les corps légers lorsqu’elle est tenue à la main (figure cidessous) ; par contre, elle s’électrise sur toute sa surface quand on la tient par l’intermédiaire d’un manche en ébonite, en verre ou en matière plastique.

Métal

Poignée en ébonite

02477_A_F

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D SEC 3069 B

Métal

2

C 5 -2

b - Interprétation On admet que les forces qui attirent ainsi de très légers objets sur les corps électrisés ont leur origine dans l’apparition, à la surface de ces corps, de petites quantités d’électricité, encore appelées des charges électriques. Dans les corps tels que l’ébonite, le verre, les matières plastiques, ces charges électriques ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement), on dit que ces corps sont des isolants (ou de mauvais conducteurs de l’électricité). Par contre, un métal comme le cuivre ou l’aluminium, ou encore un alliage métallique comme le laiton, les charges électriques se déplacent facilement ; on dit que ces corps sont de bons conducteurs de l’électricité ou, plus brièvement, des conducteurs. Tous les autres corps sont plus ou moins conducteurs ou plus ou moins isolants. Le corps humain, par exemple, est légèrement conducteur, c’est pourquoi un homme ressent le passage d’un courant électrique. c - Les deux espèces d’électricité En a, après avoir électrisé par frottement les extrémités E et E’ de deux bâtons d’ébonite, on place l’un de ces bâtons sur un étrier léger suspendu à un fil fin. On approche de l’extrémité électrisée E, du bâton suspendu, l’extrémité électrisée E’ de l’autre bâton : on constate qu’elles se repoussent. En b, on remplace sur l’étrier le bâton d’ébonite par un bâton de verre dont la partie V a été électrisée par frottement avec du drap, puis on approche de V l’extrémité E’ du bâton d’ébonite tenu à la main : on observe cette fois une attraction. Enfin en c, si on approche de V la partie électrisée V’ d’un autre bâton de verre tenu à la main, on observe de nouveau une répulsion.

V

V'

E'

E'

Ébonite

Verre Ébonite a

V

Ébonite

b

c Verre

Ces expériences conduisent aux conclusions suivantes : -

les charges électriques apparaissant sur le verre et sur l’ébonite sont d’espèces différentes. Par pure convention, il a été décidé d’appeler électricité positive celle qui apparaît sur le verre et électricité négative celle qui apparaît sur l’ébonite

- deux corps chargés d’électricité de la même espèce se repoussent. Deux corps chargés d’électricité d’espèces différentes s’attirent

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D SEC 3070 A

E

3

Il est à noter que l’électrisation d’un corps peut se faire de plusieurs façons : -

par frottement comme il vient d’être vu

- par contact entre un corps électrisé et un autre. Après séparation des deux corps, le second se retrouve électrisé par de l’électricité de même espèce que la première - par influence en approchant, sans le toucher, un corps électrisé d’un second corps, celui-ci se charge d’électricité d’espèce opposée à la première

2-

NATURE DES CHARGES ÉLECTRIQUES La nature de l’électricité est à rechercher dans la constitution de la matière. Tous les corps sont formés par des assemblages d’atomes, particules extrêmement petites qui se comptent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière. Chaque atome est constitué par un noyau, chargé d’électricité positive, autour duquel gravitent un nombre variable d’infimes granules d’électricité négative que l’on appelle des électrons. Dans toutes les opérations ordinaires de la physique et de la chimie, les noyaux des atomes demeurent inaltérés, ils conservent donc intégralement leur charge électrique positive. Par contre, sous diverses influences, l’atome peut céder ou, au contraire, fixer un ou plusieurs électrons. À l’état normal, un atome est électriquement neutre parce que la charge négative que représente l’ensemble de ses électrons est égale en valeur absolue à la charge positive de son noyau. Si on enlève des électrons à un corps, la charge positive globale des noyaux de tous ses atomes n’est plus exactement neutralisée par la charge négative globale des électrons restants et le corps s’électrise positivement. Il s’électrise au contraire négativement si on lui apporte un supplément d’électrons. La couche externe du cortège d’électrons ne comporte jamais plus de 8 électrons et elle est très souvent incomplète. Aussi, les atomes ont-ils tendance soit à se libérer des électrons de la dernière couche lorsqu’ils sont en faible quantité (1, 2 ou 3 par exemple), soit au contraire à en capter lorsqu’ils sont en nombre proche de 8 (5, 6 ou 7 par exemple) de façon à obtenir une couche externe portant 8 électrons, comme c’est le cas pour les gaz inertes (hélium, néon, argon, krypton, xénon, radon). Ainsi, toute électrisation apparaît comme un transfert d’électrons : -

une charge négative est un excès d’électrons une charge positive est un défaut d’électrons

a - Conducteurs métalliques Les métaux et leurs alliages sont constitués par un enchevêtrement de petits cristaux dans lesquels les atomes sont ordonnés géométriquement dans un réseau cristallin. Ces atomes métalliques perdent facilement un ou plusieurs électrons périphériques, qui demeurent à l’intérieur du réseau et y circulent en tous sens de façon désordonnée ; on les appelle les électrons libres du métal. Cette possibilité, pour des électrons, de se déplacer facilement dans les espaces vides qui séparent les atomes d’un métal, explique l’impossibilité d’électriser une tige métallique que l’on tient à la main. Si le frottement fait passer un excédent d’électrons sur une partie de la tige, ils se dispersent aussitôt dans le sol, par l’intermédiaire de la tige et du corps de l’expérimentateur.

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C 5 -2

4

C 5 -2

b - Isolants On considère par exemple l’électrisation d’un bâton d’ébonite que l’on frotte avec un tissu de soie ; des électrons, arrachés au tissu par le frottement, passent sur le bâton ; de ce fait, l’ébonite s’électrise négativement pendant que la soie s’électrise positivement, les charges qui apparaissent ainsi de part et d’autre étant égales en valeur absolue. Le fait que l’excédent d’électrons reçu par le bâton ne s’écoule pas dans la main de l’opérateur, montre que dans un isolant les électrons ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement). C’est pour la même raison que les charges positives apparentes du tissu de soie restent localisées aux points où le frottement a extrait des électrons, ceux-ci ne pouvant être remplacés par des électrons provenant d’atomes voisins. Dans un isolant, il n’y a quasiment pas d’électrons libres et, de plus, ils se déplacent très difficilement. Une classification peut être faite en se basant sur les valeurs des résistivités des matériaux : - conducteurs : - isolants :

ρ ≅ 10 –11 Ω . cm ρ > 1011 Ω . cm

Quelques valeurs de résistivité sont indiquées ci-après. Ω . cm Hydrocarbures saturés Hexane Cyclohexane Heptane Autres hydrocarbures

1 × 1018 1× 1018 1× 1018 1011 à 1015

Hydrocarbures benzéniques Benzène Xylène Toluène Bromobenzène Chlorobenzène

2,2 × 1016 1 × 1015 1 × 1014 9 × 1010 1 × 109

Hydrocarbures halogénés Tétrachlorure de carbone Dichlorométhane Chloroforme Dibromoéthane Dichloroéthane Chlorure d’éthyle Bromure d’éthyle

2,5 × 1017 2,3 × 1010 1 × 1014 5 × 109 3,3 × 109 3,3 × 108 5 × 107

Cétones Acétophénone Acétone Butanone

1,5 × 108 1,7 × 107 1 × 107

Alcools Alcool éthylique Glycérol Isobutanol Alcool méthylique Alcool benzylique Glycol Alcool propylique Isopropanol

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7,4 × 108 1,7 × 107 1,2 × 107 2,3 × 106 2 × 106 8,6 × 105 2,8 × 103 2 × 105

5

C 5 -2

Aldéhydes Benzaldéhyde Aldéhyde éthylique

2 × 106 6 × 105 - 8,3 × 105

Éthers 2 × 1014 1 × 1013 1 × 1012 1 × 108

1,4 dioxanne Anisole Diéthyléther Phénétol Acides Acide propionique Acide acétique Acide formique

1 × 109 4,2 × 107 - 8,9 × 108 8 × 103

Esters Benzoate de propyle Acétate d’éthyle Acétate de vinyle Formiate d’éthyle Formiate de méthyle Benzoate de méthyle Formiate de propyle

1 × 109 3,3 × 108 - 1 × 109 1 × 108 3 × 106 5 × 105 7,3 × 104 2 × 104

Divers Sulfure de carbone Phénol Aniline Pyridine Acétonitrile Benzonitrile Formamide

1,6 × 1013 - 3 × 1013 3,3 × 107 - 108 4,2 × 107 2,5 × 107 2 × 107 2 × 106 5 × 105

Sols Asphalte Moquette Béton

1 × 1012 1 × 108 - 1 × 1012 1 × 107

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6

3-

C 5 -2

FORCE - POTENTIEL - CHAMP ÉLECTROSTATIQUE Deux charges électriques q et q’, éloignées d’une distance r et supposées dans le vide absolu, subissent une force. Dans le vide :

F =

1 qq’ εo r2

La force est attractive si les charges sont de signes opposés, elle est répulsive si les charges sont de même signe. La constante εo est une caractéristique du vide. Lorsque les charges sont dans un milieu autre que le vide, la force est réduite d’un facteur ε, appelé constante diélectrique du milieu. Dans un milieu :

F =

1 qq’ εε o r2

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de constantes diélectriques. Constantes diélectriques Air Hydrocarbures Benzine Benzol Asphaltes, brai Caoutchouc vulcanisé Verre Métaux Alcools Eau

1 2,02 à 2,19 2,2 2,38 2,7 2,8 à 3,1 3 3à4 16 à 31 81

Plastiques Phénoplastes Aminoplastes Polystyrène Polythène Chlorures de polyvinyle Polyamides

5 5à7 2,5 à 2,7 2,25 à 2,3 4,9 à 5,6 4à5

d.d.p. (Volts)

D SEC 3117 A

La présence de charges électriques différentes crée une différence de potentiel, exprimée en volt.

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7

C 5 -2

L’espace avoisinant des charges électriques se trouve influencé par celles-ci : on définit, par exemple, entre deux plaques chargées, distantes d’une quantité “d”, un champ électrostatique, ici uniforme, dont la valeur est : VAB d.d.p. = distance d

en V/cm A

d

d.d.p = V AB (Volts)

E B

D SEC 3118 A

E =

Le champ électrostatique représente l’“électrisation” de l’espace. Plus le nombre de charges augmente, plus la différence de potentiel V AB augmente, et plus le champ électrostatique E augmente. Dans tout isolant, il y a un maximum appelé champ disruptif, où apparaît un claquage se traduisant souvent par une étincelle de décharge. Pour l’air, le champ disruptif moyen est d’environ 30 kV/cm.

4-

CONDENSATEUR - ÉNERGIE EMMAGASINÉE Deux plaques séparées par un isolant forment un condensateur. A D SEC 3119 A

La quantité de charge + ou – que le condensateur est capable d’accumuler s’appelle la charge Q (en Coulombs.

B Elle dépend de la d.d.p. VAB appliquée entre les plaques A et B et d’une grandeur caractéristique du condensateur, appelée capacité C, dont l’unité est le “Farad”. Q (Cb)

=

C (F)

×

VAB (V)

La charge Q représente une sorte de stockage d’électricité, malheureusement guère utilisable. Si S est la surface des plaques en regard et la distance d qui les sépare, la capacité s’exprime par : S C = εo ε d

en Farad

où ε est la constante diélectrique du milieu situé entre les plaques.

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8

C 5 -2

L’énergie emmagasinée dans un condensateur s’exprime par : W =

1 2 CV AB 2

(en Joule)

Si la d.d.p. VAB atteint une valeur telle que le champ E = VAB/d est disruptif, le condensateur se décharge à travers l’isolant, qui est alors en général détruit : c’est le claquage. Si l’isolant est de l’air, il s’ionise et laisse passer les charges brutalement ; il y a étincelle dont l’énergie 1 2 est CVAB. Dans ce cas l’isolant (l’air) se reconstitue après refroidissement. 2

II -

MANIFESTATION DU PHÉNOMÈNE D'ÉLECTRICITÉ STATIQUE 1-

APPARITION DES CHARGES ÉLECTRIQUES Quand deux substances différentes 1 et 2 sont mises en contact, une migration d'électrons d'une des substances vers l'autre, va se produire. Au moment de la séparation qui suivra la mise en contact, certains électrons reprendront leur place dans la substance de départ, d'autres ne le pourront pas. Ces derniers sont la cause de la création d'une différence de potentiel qui va croître en même temps que la distance qui sépare les deux substances.

b)

Contact

MATÉRIAU 1

MATÉRIAU 1

MATÉRIAU 2

MATÉRIAU 2

Électriquement neutre

Transport de charge

Séparation

c)

MATÉRIAU 1

MATÉRIAU 2 Excès de charge

D SEC 3120 A

a)

Une étincelle jaillit quand cette différence de potentiel atteint la tension de claquage dans l'air. Le mécanisme d'électrisation n'a pas lieu exclusivement par contact-séparation mais aussi par influence d'un champ électrique : voisinage d'une masse chargée électriquement avec une autre initialement neutre.

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9

2-

C 5 -2

FACTEURS FAVORISANT LA FORMATION D'ÉTINCELLES Les facteurs favorisant la formation d'une étincelle, ou tout au moins l'apparition de différence de potentiel sont les suivants : - la différence des constantes diélectriques accentue la quantité de charges électriques échangées entre deux surfaces en contact - l'électricité statique est un phénomène superficiel. Son importance croît avec la surface développée par le produit, pour un volume donné : c'est le cas des poussières, des brouillards, des aérosols. - une résistivité élevée (ρ > 1011 Ω . cm) est un obstacle à la mobilité des charges, ce qui les empêche de réintégrer leur produit d'origine et augmente donc le potentiel après séparation des surfaces - une vitesse élevée de séparation des surfaces peut ne pas laisser le temps aux charges électriques de regagner leur matériau d'origine

3-

EXEMPLES TYPIQUES D’ÉLECTRISATIONS

D SEC 3121 A

Un liquide non-conducteur s’écoule d’un tube de métal (effet de séparation). Le liquide se charge. La charge excédentaire du tube de métal s’échappe par la mise à terre.

D SEC 3122 A

Un liquide non-conducteur est brassé dans un réacteur (effet de séparation près de la paroi). Le liquide, le réacteur et le brasseur se chargent. Les charges du réacteur et du brasseur s’échappent par la mise à terre.

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C 5 -2

D SEC 3130 A

Une personne marche avec des semelles isolantes sur un tapis de Nylon ou sur un sol plastifié (effet de séparation entre semelle et sol). La personne se charge, car les charges ne peuvent s’échapper que lentement.

De la poudre s’écoule dans un sac en plastique (effet de séparation). La poudre, le sac et le nuage de poussière se chargent.

D SEC 3131 A

Les charges ne s’échappent que lentement.

Un liquide non-conducteur ou une poudre circule dans une conduite de verre ou de plastique (effet de séparation près de la paroi). Le tube, les brides et le contenu du tube se chargent.

D SEC 3132 A

Les charges ne s’échappent que lentement.

Une feuille de plastique ou de papier est déroulée (effet de séparation). La feuille déroulée et le rouleau se chargent.

D SEC 3133 A

Les charges ne s’échappent que lentement.

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C 5 -2

• Valeur de tensions rencontrées dans la pratique

Tensions (volt) Personne marchant avec des chaussures à semelles en caoutchouc

1000

Personne marchant sur un tapis, avec des chaussures à semelles en caoutchouc

14000

Surface libre d’un carburant dans un grand réservoir lors d’un remplissage rapide

100000

Brides d’une conduite en verre dans laquelle coule du toluène

15000

Brides d’un éjecteur à vapeur

15000

Fibres synthétiques, lors de leur façonnage

9000

Feuilles de chlorure de polyvinyle, lors de leur fabrication

2000

Papier dans les machines à papier

Jusqu’à 135000

Papier dans des presses hélio

80000

Caoutchouc dans des machines à enduire

20000

Caoutchouc dans des machines à découper

150000

Plaques de celluloïd, lors du déballage

25000

Celluloïd lors de frottement

40000

Courroies de transmission à une vitesse de 3 m/s de 10 m/s

25000 50000

Benzol s’écoulant dans un tuyau de fer

3500

Benzine tombant librement

4000

Gaz sortant de bouteilles à gaz comprimé

9000

Encaustique liquide circulant à l’aide d’une pompe Sol asphalté passé à la cireuse

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125000 5000

12

4-

C 5 -2

TYPES DE DÉCHARGE Les matériaux et les atmosphères ambiantes n'étant pas des isolants parfaits, toute apparition d'une charge électrostatique est suivie d'un processus plus ou moins long de décharge, tendant à retrouver un équilibre. Ce processus qui obéit à une loi exponentielle dépend de la résistance interne de la matière (dépendante elle-même de la tension) ainsi que de la résistance générale par rapport à la terre de l'objet considéré. Pour des plastiques l'équilibrage des charges peut durer des heures voire des jours. Une décharge disruptive apparaît lorsque l'intensité du champ électrique atteint la valeur maximum acceptée par le matériau ou l'atmosphère ambiante. Par exemple la tension de claquage de l'air est d'environ 30 kilovolts/cm. Les décharges peuvent être classées en différents types : -

décharge par étincelle • • • •

décharge entre deux conducteurs effet lumineux qui remplit complètement l'espace entre les deux conducteurs décharge brusque rayon de courbure type des conducteurs : ≥ 5 cm –

D SEC 3123 A

+

Rayon de courbure ≥ 5 cm

- décharge en aigrette • décharge entre un conducteur et une surface chargée conductrice ou non conductrice ou un nuage chargé • l'effet lumineux part du conducteur à l'endroit de la plus grande intensité de champ et prend fin dans l'espace intermédiaire • plusieurs décharges courtes et successives produisent un effet d'aigrette • rayon de courbure type : environ 0,5 cm

D SEC 3124 A

+

Rayon de courbure ≅ 0,5 cm

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13

-

C 5 -2

décharge de pointe (décharge corona) • décharge entre une pointe conductrice et une surface chargée conductrice ou non, ou un nuage chargé • effet lumineux en couronne (corona) seulement autour de la pointe conductrice • décharge continue • rayon de courbure type < 1 mm

D SEC 3125 A

+

Pointe

- décharge de surface Comme autre type de décharge on distingue encore la décharge de surface. Elle se produit à la surface de matières isolantes très fortement chargées.

D SEC 3126 A

Sphère métallique

Feuille isolante posée sur une base conductrice mise à la terre

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14

III - DANGER D'UNE DÉCHARGE ÉLECTROSTATIQUE La décharge électrostatique peut être une source d'inflammation lorsque l'énergie libérée est égale ou supérieure à l'énergie d'inflammation minimum du mélange combustible présent. Pour qu'un mélange soit combustible, il faut que sa concentration (matière combustible par rapport à l'oxygène) se trouve entre la limite inférieure et la limite supérieure d'inflammabilité. Au-dessus des liquides le mélange n'est combustible que lorsque la température du liquide est supérieure à son point éclair. Dans le cas d'aérosols, il faut tenir compte du fait que la température des gouttelettes, par suite de leur faible capacité calorifique, peut s'élever très rapidement au-dessus du point éclair. La probabilité de rencontre d'une atmosphère explosive et d'une décharge d'une énergie suffisante est en général faible. Il est de ce fait parfaitement possible qu'une action dangereuse ait pu s'effectuer pendant des années sans conséquence et que brusquement il se produise un accident. L'énergie libérée dans une décharge dépend entre autres de la nature de la décharge. La moins dangereuse étant la décharge de pointe (ou décharge corona), car un équilibrage des charges commence déjà alors que la pointe se trouve à une relativement grande distance de l'objet chargé. L'énergie libérée brusquement se trouve de ce fait fortement réduite. Au contraire, deux grandes sphères se rapprochant l'une de l'autre se déchargent brusquement en libérant la totalité de l'énergie emmagasinée sous la forme d'une étincelle capable d'allumer un mélange gazeux ou des poussières. Les décharges en aigrettes se situent à mi-chemin entre ces deux extrêmes. Énergie d'allumage minimale (voir tableau suivant) L'énergie minimale pour obtenir l'inflammation d'un mélange d'air et de vapeurs d'hydrocarbures est comprise entre 0,2 et 0,8 millijoules suivant la nature du produit. L'énergie minimale pour enflammer un mélange d'air et de poussière est comprise entre 10 et 100 millijoules suivant la nature des poussières en suspension dans l'air. Il faut savoir que le corps humain chargé peut provoquer en touchant un conducteur une énergie disruptive qui peut atteindre 50 à 100 millijoules. De plus, le seuil de détection sensorielle est de l'ordre de 1,5 millijoule. On en déduit donc qu'une personne chargée peut provoquer l'inflammation d'un mélange air-vapeur d'hydrocarbure sans s'en apercevoir puisqu'il suffit d'une énergie de l'ordre de 0,5 millijoule inférieure au seuil de perception sensorielle.

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C 5 -2

15

Énergie (m/J) 100 90 80 70 60 50 40 30 20

Énergie minimale d'inflammation Vapeurs

Sensation ressentie par une personne Secousse légère

Farine de blé Picotement vif Polyéthylène Polypropylène Polyuréthane Polystyrène Aluminium en poudre

Picotement léger

Détectable

Essence Acétone Méthane – Benzène

Indétectable

Hexane Éther – cyclopropane Éthylène Hydrogène (0,02) Sulfure de carbone (0,009)

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D SEC 3129 A

0,1

Poussières Silicium Cellulose

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

C 5 -2

16

IV - MESURES GÉNÉRALES DE PROTECTION CONTRE L'ÉLECTRICITÉ STATIQUE 1-

MESURES PRÉVENTIVES a - Au niveau de la fabrication ou du procédé – Utiliser au maximum des équipements bons conducteurs électrostatiques. Les pièces en caoutchouc ou en matières plastiques sont à traiter si possible dans la masse pour les rendre suffisamment conductrices – En ce qui concerne le transport des liquides et des pulvérulents isolants, les conduites doivent être conductrices et aussi directes que possible c'est-à-dire avec des coudes à grand rayon par exemple. Le remplissage des réservoirs doit se faire par un tuyau arrivant à la partie inférieure afin d'éviter les chutes de liquide isolant génératrices d'électricité statique. – La règle générale pour éviter l'apparition des charges est de diminuer les frottements et les pressions entre les corps isolants transportés et les parois de la machine ; une réduction de la vitesse de transport des liquides et pulvérulents est donc un facteur de diminution des charges statiques. b - Au niveau des locaux Les sols et les parois des locaux à risque d'incendie ou d'explosion sont à rendre conducteurs, au moins par un revêtement non isolant relié à des surfaces conductrices à la terre. c - Au niveau de l'habillement du personnel Utiliser des vêtements et des chaussures non isolants : interdire les fibres synthétiques par exemple, ou la laine.

2-

MESURES CURATIVES Les mesures curatives ont pour but d'éliminer l'électricité statique dont on n'a pas pu empêcher la formation par des mesures préventives. Les mesures classiques sont : -

mise à la terre et liaison équipotentielle pour les corps conducteurs augmentation de la conductibilité des corps isolants dans leur masse ou en surface augmentation de la conductibilité de l'air par ionisation

a - Mise à la terre et liaisons équipotentielles L'élimination des charges statiques se trouvant dans les corps conducteurs est facile à réaliser puisqu'il suffit de les relier à la terre. Certains ensembles métalliques sont reliés à la terre par construction (charpentes métalliques, tuyauteries d'eau, etc.). Il s'ensuit que les machines qui sont boulonnées sur les ensembles précédents seront elles-mêmes en principe reliées à la terre ; il faut toutefois se méfier de certaines pièces boulonnées après peinture ou de certains joints isolants entre deux brides de tuyauteries qui empêchent une bonne conductibilité électrique malgré les boulons de serrage.

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C 5 -2

17

C 5 -2

Dans les locaux à danger d'incendie et d'explosion, il faut assurer la continuité électrique des joints douteux par un pontage réalisé en conducteur cuivre ou en feuillard d'acier inoxydable. Pour les ensembles métalliques manifestement isolés du sol il faut les relier à une prise de terre par un conducteur en cuivre ou inox. Les liaisons équipotentielles consistent à relier électriquement entre elles toutes les masses locales. Il faut bien considérer que la mise à la terre des éléments métalliques n'est pas la panacée et permet simplement l'écoulement des charges se trouvant dans ces corps. Cette méthode n'empêche pas la décharge disruptive entre un corps isolant chargé situé à proximité d'un corps métallique mis à la terre et elle la favorise même dans certains cas. Exemple d’application Supposons qu'un liquide isolant stocké dans un réservoir R s'écoule, au moyen d'une canalisation conductrice mise à la terre, dans un récipient conducteur isolé de la terre.

R

B

Isolant

C

D SEC 3127 A

A

Par frottement au contact des parois de la canalisation d'amenée, le liquide se charge et entraîne des charges, par exemple négatives, qui s'accumulent dans le récipient ; l'ensemble de ces charges constitue le corps A. Par influence, la paroi interne du récipient, qui constitue le corps B, se charge positivement tandis que des charges négatives apparaissent sur la paroi externe. Une personne C en liaison avec le sol et située dans le voisinage du récipient, accumule par influence des charges positives. Dans cet exemple, il existe toujours une probabilité pour que le champ électrique présent entre B et C, atteigne une valeur critique. Si l'atmosphère dans le voisinage de B et C est chargée de poussières ou de vapeurs de solvant, il y a risque d'explosion.

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C 5 -2

Si maintenant le récipient B est mis à la terre :

R

B

Isolant

C

D SEC 3127 B

A

Les charges négatives de B s'écoulent à la terre entraînant la disparition du champ électrique qu'elles créaient entre B et C, de ce fait les charges positives portées par C disparaissent ; seul subsiste le champ électrique entre A et B. La MISE À LA TERRE du récipient B SUPPRIME LE CHAMP ÉLECTRIQUE qui existait précédemment entre celui-ci et une personne située dans son voisinage immédiat, excluant ainsi la possibilité d'une décharge disruptive à l'extérieur du récipient sans toutefois exclure la possibilité d'une décharge partielle ou totale à l'intérieur du récipient B. b - Augmentation de la conductibilité des matières isolantes La grosse difficulté pour l'écoulement des charges statiques dans les matières isolantes réside dans le fait que ces charges sont ponctuelles et ne peuvent ni se déplacer, ni se regrouper, ni s'écouler puisque la matière est réputée "isolante". Il existe deux méthodes pour augmenter la conductibilité des matières isolantes. La première consiste à ajouter à la fabrication des poudres conductrices (noir de carbone, graphite, etc.). La deuxième méthode consiste à rendre la matière conductrice en surface et on trouve à nouveau les deux procédés suivants : • Augmentation de l'humidité relative de l'air Un taux d'humidité relative de l'air de 70 % empêche toute manifestation d'électricité statique puisque les charges éventuelles s'écoulent au fur et à mesure de leur formation. Cette humidité agit en rendant les corps isolants conducteurs en surface et non pas en diminuant la résistivité de l'air.

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C 5 -2

D'une façon générale l'humidification de l'air est la méthode la plus simple, la plus sûre et la plus efficace pour l'élimination de l'électricité statique ; elle présente l'avantage de traiter tout le volume du local considéré. Pour les locaux à danger d'incendie et d'explosion il faut bien entendu contrôler en permanence le taux d'humidité de l'air et déclencher une alarme si ce taux descend en-dessous de la valeur critique. • Utilisation de produits dits "antistatiques" Les produits antistatiques ont pour but de créer à la surface des corps isolants une pellicule conductrice ; ce sont des liquides qu'on applique au pinceau ou par pulvérisation. Ces produits ont l'inconvénient d'être instables dans le temps et de se diluer à l'eau ; il faut donc renouveler périodiquement les applications, ce qui peut être assez onéreux lorsqu'il s'agit de grandes surfaces. c - Augmentation de la conductibilité de l'air par ionisation De l'air ionisé est composé d'un nombre égal d'ions positifs et d'ions négatifs, il est devenu conducteur. Ionisé à proximité d'un matériau chargé, l'air neutralisera les charges

et

.

Les appareils ionisant l'air sont ici appelés éliminateurs de charges, et sont de différents types : éliminateurs à haute tension, où une forte tension alternative (10 à 15 kV) est appliquée entre des pointes métalliques et la terre, éliminateurs radioactifs, où un élément radioactif ionise l'air avoisinant. Tous ces appareils, bien qu'efficaces, sont assez dangereux par nature et exigent donc d'importantes précautions d'emploi.

D SEC 3128 A

Éliminateur

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3-

C 5 -2

EXEMPLES DE MISE À LA TERRE ET LIAISONS ÉQUIPOTENTIELLES a - Équipements et opérations concernés Ces liaisons équipotentielles et les mises à la terre concernent : -

les capacités (ballons, colonnes, bacs, …)

-

les tuyauteries : entre brides la continuité électrique est assurée par des tiges filetées ou par pontage

-

les flexibles dont la continuité électrique doit être assurée

-

les courroies d'entraînement de machines qui doivent être rendues conductrices par incorporation de fils métalliques ou par utilisation de caoutchouc conducteur

-

les opérations de chargement ou déchargement de wagons-citernes

Liaison équipotentielle et mise à la terre des tuyauteries de déchargement et des rails -

D SEC 1137 A

Liaison équipotentielle entre les tuyauteries et la tubulure du wagon citerne

les opérations de chargement ou déchargement d'un camion citerne

D MEQ 126 D

Dispositif de mise à la terre

De plus, les camions citernes se chargent d'électricité statique par frottements de l'air. Il y a donc lieu de les "décharger" par mise à terre avant toute opération de chargement. 02477_A_F

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21

les chargements ou soudages de fûts

D SEC 1139 A

-

C 5 -2

Liaison équipotentielle ou contact permanent entre fûts bec et seau

4-

PRÉCAUTIONS DANS LES OPÉRATIONS D'EXPLOITATION Quelle que soit l'efficacité de la mise à la terre et des différentes liaisons équipotentielles, quelques grandes règles sont à observer : - avant l'accès sur les bacs de produits faiblement conducteurs pour des opérations de jaugeage, d'échantillonnage … respecter les temps de relaxation suivants : Bacs à toit flottant

Bacs à toit fixe

Attendre plusieurs Attendre 30 min après heures après flottaison fin remplissage du toit

Bacs à écran interne

Bacs avec couverture ou "blanketting"

Attendre la flottaison de l'écran

Aucun danger

- éviter d'introduire des pièces métalliques dans une capacité - ne pas transférer des produits très mauvais conducteurs à des vitesses élevées (1 m/s est souvent le maximum recommandé) - ne pas remplir "en pluie" les camions et les wagons-citernes : le remplissage à vitesse maximum ne doit s'effectuer que lorsque la canne est immergée. Ne pas les jauger au "sabre" -

dans le cas de fluides très mauvais conducteurs (kérosène, essence, …) éviter de les mélanger avec de l'air, de les déplacer à l'eau, de les pomper lorsqu'ils sont mélangés avec de l'eau

- lors d'un nettoyage au jet de vapeur • assurer l'équipotentialité du tuyau souple, des conduits de vapeurs et du récipient • aucun objet conducteur isolé ne doit se trouver à l'intérieur du récipient pendant le nettoyage • au début de l'opération, limiter la vitesse d'éjection jusqu'à ce que la plus grande partie de l'air contenu dans le réservoir soit remplacée par la vapeur • augmenter le débit progressivement jusqu'à la vitesse désirée

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

C5

ÉLECTRICITÉ ATMOSPHÉRIQUE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - LA FOUDRE ET SES EFFETS ................................................................................................. 1 1 2 3 4

-

Définitions.....................................................................................................................................1 Formation de la décharge électrique............................................................................................ 1 Effets de la foudre ........................................................................................................................ 2 Accidents corporels dus à la foudre .............................................................................................4

II - LES MODES DE PRÉVENTION ............................................................................................... 5 1 2 3 4 5 6 7 8

-

Maillage des masses.................................................................................................................... 5 Influence du régime neutre...........................................................................................................6 Cheminement des câbles .............................................................................................................7 Implantation des équipements .....................................................................................................7 Limiteurs de surtension ................................................................................................................ 7 Parafoudres et parasurtenseurs ...................................................................................................7 Paratonnerres...............................................................................................................................9 Les prises de terre .....................................................................................................................11

Les informations de ce document sont tirées de la note SP1076 de la Caisse Régionale d’Assurance Maladie “Rhône Alpes”

ME RES - 02470_A_F - Rév. 0

Ce document comporte 13 pages

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08/06/2005

-3

1

I-

C 5 -3

LA FOUDRE ET SES EFFETS 1-

DÉFINITIONS La foudre est une manifestation de l’électricité d’origine atmosphérique, comportant une décharge électrique accompagnée d’une vive lumière (éclair) et d’une violente détonation (tonnerre). L’éclair est l’ensemble des manifestations lumineuses provoquées par les décharges électriques d’origine atmosphérique. Le tonnerre est le bruit induit par la décharge électrique (entre deux nuages ou entre la base d’un nuage et le sol, ou à l’intérieur d’un même nuage), dont l’éclair est la manifestation lumineuse. La vitesse de la lumière étant de 300000 km/s, l’éclair est perçu au moment où il se produit. Mais le son se propage à 340 m/s seulement. Le tonnerre suit donc l’éclair et le nombre n de secondes qui s’écoulent entre les deux phénomènes indique la distance d en mètres, d = 340 . n, qui sépare l’observateur de la décharge orageuse.

2-

FORMATION DE LA DÉCHARGE ÉLECTRIQUE a - Nuage orageux 10 km 9 km 7 km 6 km 5 km 4 km 3 km 2 km 1 km

–65° C +++++++++++ +++++++ +–+ –+– ––– ––––––– –––––++–––––

–30° C 0° C 10° C

Ascendance atmosphérique Champ E avant la foudre = 15 kV/m (en plaine)

SOL

25° C

D SEC 3100 A

8 km

Un nuage orageux, le cumulo-nimbus s’étend sur plusieurs kilomètres carrés et se développe en hauteur jusqu’à des altitudes de 15 kilomètres. Les mouvements convectifs et les trajectoires des précipitations provoquent la génération d’hydrométéores chargés électriquement dans le corps du nuage puis entraînent leur séparation. Les particules chargées positivement sont repoussées vers le haut, celles chargées négativement, plus lourdes, tombent vers la base du nuage. La structure électrostatique de la cellule orageuse est proche de celle d’un dipôle d’axe vertical formé de deux poches de charges de signe opposé et évaluées à plusieurs dizaines de Coulombs. Des petites poches chargées positivement peuvent éventuellement être présentes à la base du nuage. Le champ électrique au sol correspondant à cette configuration est vertical et son amplitude varie avec la distance au centre du nuage. Par beau temps, le champ électrique au sol est de l’ordre de la centaine de volts par mètre. À l’approche d’un nuage chargé, il s’inverse et son amplitude évolue jusqu’à atteindre 250 fois sa valeur initiale. 02470_A_F

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b - Le coup de foudre Les aspérités du sol ou des structures créent un “effet de pointe” qui amplifie de façon très importante le champ électrique local. Cette augmentation du champ électrique se traduit par un effet “Corona” (ionisation locale de l’air : feu de Saint Elme) un canal d’air ionisé reliant le nuage au sol permet alors l’écoulement du coup de foudre. Pour les experts, les principales caractéristiques d’un coup de foudre sont généralement les suivantes : -

durée totale : 0,2 à 1 seconde

-

nombre de décharges : 4 en moyenne

-

valeur du courant : généralement comprise entre 2 et 200 kA dI - valeur de : généralement comprise entre 10 et 200 kA par microseconde dt - charges électriques : jusqu’à 300 Coulombs

3-

-

durée de vie d’une cellule orageuse : environ 2 heures

-

étendue du spectre : de quelques kHz jusqu’à quelques MHz

EFFETS DE LA FOUDRE La foudre est un courant électrique haute fréquence qui entraîne les mêmes effets que tout autre courant circulant dans un conducteur électrique notamment : -

effets thermiques (effet Joule)

- effets dus aux amorçages (montées en potentiel des prises de terre et aux tensions dangereuses dues à l’impédance élevée des conducteurs en haute fréquence) -

effets électromagnétiques

-

effets électrodynamiques

-

effets électrochimiques

-

effets acoustiques (tonnerre)

-

effets lumineux

a - Effets thermiques Ces effets sont liés : -

à la quantité de charges Q à écouler en un temps très bref : effets d’impact aux points de jonction de l’éclair avec un conducteur (exemple : perforation de tôle d’acier de 2 à 3 mm d’épaisseur)

- aux effets Joule, fonctions de l’impédance du conducteur, du carré de l’intensité du courant et du temps de passage (exemple : soudure par point de contact de relais, vitrification locale, …) En particulier dans les mauvais conducteurs, une partie de l’énergie est libérée sous forme de chaleur : l’eau contenue dans le bois ou la maçonnerie est échauffée et vaporisée (arbres ou béton éclatés)

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b - Montées en potentiel et amorçages Le courant de foudre, de nature impulsionnelle, présente des fronts de montée très raides. Dans ces conditions, l’impédance haute fréquence du circuit électrique conditionne les risques d’amorçages. Une impédance élevée est particulièrement néfaste car elle conduit à des différences de potentiel considérables. Ces différences de potentiel se traduisent : -

par des destructions d’équipements électriques ou électroniques

- par des claquages (étincelles) entre descentes de paratonnerre et objets métalliques proches reliés au sol (risque d’inflammation) c - Effets électromagnétiques Le canal de foudre ainsi que les éléments écoulant le courant de foudre à la terre créent un champ électromagnétique. Des courants et tensions induits vont alors apparaître dans les conducteurs proches. À 100 m du point d’impact, un éclair peut induire une tension de 80 V/m2 dans une boucle non protégée d’équipements interconnectés. Les différences de potentiels résultantes peuvent à leur tour entraîner des claquages dans les éléments électriques ou électroniques reliés à ces conducteurs. Ces claquages peuvent être également de forte intensité et créer un risque d’inflammation ou de destruction du même type que celui créé par le coup direct. Certains équipements sensibles aux perturbations électromagnétiques peuvent être perturbés ou détruits par le champ créé par un éclair proche. d - Effets électrodynamiques Ces effets sont ceux qui peuvent être rencontrés dès qu’un courant fort circule dans un conducteur : par analogie, on peut se référer aux phénomènes apparaissant sur des jeux de barres de poste de puissance en cas de court-circuit. Les effets peuvent être soit attractifs, soit répulsifs suivant la disposition des conducteurs les uns par rapport aux autres. Ces efforts peuvent atteindre plusieurs centaines à plusieurs milliers de newtons pour des coups de foudre violents et conduisent à des déformations mécaniques pouvant entraîner des ruptures ou des arrachages de support. e - Effets électrochimiques Ces effets sont relativement peu importants sur les installations au sol et les quantités de matière pouvant se décomposer par électrolyse restent faibles, même pour des quantités de charge transférées importantes. Une surveillance des prises de terre est nécessaire (risque de corrosion, …). f - Effets acoustiques Les forces électrodynamiques liées au courant s’écoulant dans l’éclair créent une dilatation de l’air du canal de foudre, accompagnée d’une élévation de pression dans le canal. Cette surpression et sa disparition brutale créent une onde de choc. g - Effets lumineux Les effets sur les installations sont limités aux équipements optiques (cellules, caméra, …). Cependant, les lésions oculaires sont possibles. 02470_A_F

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4-

ACCIDENTS CORPORELS DUS À LA FOUDRE Les accidents corporels dus à la foudre ne sont pas très fréquents, mais leurs conséquences, souvent très graves, doivent être connues, ainsi que les règles élémentaires à respecter pour se protéger. • Recommandation en cas d’orage pour la protection des personnes Les recommandations pour la protection des personnes contre la foudre sont fondées sur deux principes : -

ne pas constituer une cible pour la foudre

- ne pas se placer dans des situations qui risquent d’engendrer une différence de potentiel entre deux parties du corps Les personnes voulant se protéger doivent prendre les principales précautions suivantes : - chercher un abri bas dans un endroit ayant un toit relié électriquement à la terre ou un abri métallique (voiture, …) - lorsqu’il n’y a pas d’abri à proximité, il faut à la fois réduire sa hauteur (s’accroupir) et réduire sa surface au sol (joindre les deux pieds) -

éviter de courir, s’allonger et faire de grands pas

-

éviter les abris naturels (grottes, bas de falaise, cascade, …)

-

éviter de faire de la bicyclette, de monter à cheval, de rester dans un véhicule à toit ouvert

-

éviter de marcher dans l’eau ou de nager

- se tenir à l’écart des endroits élevés, des arbres de grande taille ou isolés. Si la proximité d’un arbre ne peut être évitée, prendre position au-delà de la limite du feuillage -

éviter le contact ou la proximité des structures métalliques et descentes de paratonnerres

-

ne pas porter sur soi des objets métalliques

-

éviter ou limiter l’utilisation du téléphone (traditionnel ou portable)

- éviter le contact avec tout objet métallique, appareils électriques, encadrement de fenêtre, radio, télévision, …

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II -

LES MODES DE PRÉVENTION Les dysfonctionnements et destructions sont liés à l’apparition de différences de potentiel trop importantes pour les équipements considérés, il faut donc trouver des solutions afin de réduire ces différences de potentiel. Les différents objectifs de prévention sont les suivants : -

éviter un impact de la foudre sur les équipements et empêcher la circulation de courants importants dans les installations, les liaisons entre appareils

-

limiter le niveau des tensions induites dans le câblage du bâtiment

-

limiter les différences de potentiel entre prises de terre

- empêcher la pénétration dans les équipements de surtensions susceptibles de les détériorer ou de les perturber Il est important de comprendre que ce sont les caractéristiques du front raide de l’onde de tension plutôt que son amplitude qui fragilisent le matériel (défaillances, vieillissement prématuré ou fonctionnement aléatoire des composants actifs et passifs, destruction de cartes électroniques, claquage d’isolateurs, perte de programme d’automatisme, perte de stockage d’information, …). Il est usuel de considérer que le matériel contemporain a une tenue à 50 Hz de 2 fois la tension nominale plus 1000 volts (soit environ 1500 V pour une tension nominale de 230 V). Cette valeur correspond à une valeur d’isolement mais pas à une surtension admissible. L’onde de tension résultant d’un coup de foudre dépasse souvent les valeurs admissibles. Il apparaît ainsi nécessaire de renforcer au maximum l’installation électrique interne afin de se prémunir contre les influences des coups de foudre dans un rayon de plusieurs kilomètres. Principaux modes de protection : -

1-

maillage des masses régime du neutre cheminement des câbles implantation des équipements limiteur de surtension parafoudre/parasurtenseur paratonnerre prises de terre

MAILLAGE DES MASSES La condition nécessaire à l’obtention d’une bonne protection contre la foudre est l’équipotentialité, qui reste le seul moyen fiable pour éviter les amorçages ou les destructions de matériels. Dans les cas de la foudre, la difficulté pour arriver à cette bonne équipotentialité est due non pas aux dI valeurs absolues des courants de foudre, mais à leur variation dans le temps   . Ainsi, le temps de dt montée moyen pour un choc de foudre est de l’ordre de la microseconde correspondant à une fréquence théorique de 350 kHz. En réalité, le spectre d’un choc de foudre peut s’étendre, approximativement de quelques dizaines de kilohertz à environ 1 MHz.

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Ce phénomène montre que même 1 m de conducteur, s’il est parcouru par un courant de foudre, ne peut garantir l’équipotentialité. En effet 1 m de conducteur représente environ 1 µH, soit 2 Ω à 350 kHz. Il est donc nécessaire de procéder à un maillage des masses, permettant de diminuer l’impédance du réseau de masses efficacement. Les structures métalliques (ferraillages, poteaux, chemins de câbles, goulottes, conduites, descentes de paratonnerre) seront reprises sur le maillage en les interconnectant par des liaisons les plus courtes et les plus nombreuses possibles et de section adaptée. Ce maillage est réalisé aussi bien en partie aérienne qu’en partie enterrée.

Cheminée

D SEC 3101 A

Chemin de roulement

2-

INFLUENCE DU RÉGIME NEUTRE D’une manière générale, le schéma TN est celui qui assure la meilleure protection contre les surtensions en raison de l’équipotentialité réalisée entre la référence des conducteurs d’alimentation et la terre. À l’inverse, les schémas IT et TT sont les plus vulnérables compte tenu que les conducteurs d’alimentation sont soit isolés de la terre, soit reliés à elle par des impédances importantes.

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3-

CHEMINEMENT DES CÂBLES On applique les principes vus dans les paragraphes consacrés au maillage des masses et des techniques de réduction des surfaces de boucle en faisant cheminer les câbles sur des châssis de câble métalliques interconnectés au réseau de masse. On sépare les câbles protégés de ceux qui ne le sont pas.

4-

IMPLANTATION DES ÉQUIPEMENTS Regrouper les machines ou équipements sensibles peut être un élément de la maîtrise du risque. En effet, il est plus facile et économique de protéger un point bien déterminé du réseau électrique que de protéger des éléments séparés. Dans le même esprit, un regroupement “électrique” peut compléter un regroupement géographique. Les ordinateurs peuvent être branchés sur un réseau informatique qui a été mieux protégé.

5-

LIMITEURS DE SURTENSION Leur rôle est de protéger en tête l’installation en limitant l’amplitude des surtensions liées à des défauts. Ces appareils sont généralement utilisés en circuit IT. Ils n’ont pas été conçus spécifiquement pour une protection contre la foudre.

6-

PARAFOUDRES ET PARASURTENSEURS Leur rôle est de limiter les surtensions transitoires à des valeurs non dangereuses pour le matériel et d’évacuer les courants de décharge vers la terre. Leur efficacité est essentiellement due à leur rapidité de fonctionnement et à leur pouvoir de décharge. Différentes technologies peuvent être associées : diodes, varistances, filtres, éclateurs à air, éclateur à gaz, … Les tensions résiduelles doivent être adaptées au matériel basse tension alimenté : -

2,5 kV pour les équipements sans dispositifs électroniques 1,5 kV pour les équipements électroniques 0,8 kV pour les matériels électroniques sensibles

Et valeur encore plus faibles pour les matériels de télécommunications. Les installations BT peuvent comporter deux parafoudres en cascade : -

le premier au plus près de la source d’alimentation (parasurtenseur primaire) dissipe la plus grande partie de l’énergie due aux effets de la foudre

- le second de calibre plus faible près de l’utilisation (parasurtenseur secondaire) dissipe l’éventuelle surtension résiduelle Les parafoudres-parasurtenseurs doivent répondre à des règles précises de mise en œuvre.

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Exemple d’architecture classique d’une installation protégée par des parafoudres mettant en évidence des parafoudres en cascade dans le but d’une meilleure implantation des équipements

Tension résiduelle 2,5 kV

Parafoudre

Matériel électrotechnique

Tension résiduelle 1,5 kV

Parafoudre

Matériel électronique

Tension résiduelle 0,8 kV

Matériel électronique très sensible

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D SEC 3102 A

Parafoudre

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7-

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PARATONNERRES Le principe de la protection primaire consiste à capter la foudre avec un paratonnerre situé sur le sommet des bâtiments, de canaliser et d’évacuer l’énergie vers la terre. “Il faut offrir au courant un chemin conducteur aussi direct que possible … la foudre est un personnage important, auquel on ne résiste pas sans danger, mais qui se laisse diriger assez docilement quand on se plie à ses désirs …” (P.G. Laurent 1958). Le rôle des paratonnerres est de protéger les bâtiments contre les impacts directs de la foudre. On distingue trois types de paratonnerres : -

les paratonnerres à “tiges” les paratonnerres à “cages maillées” les paratonnerres à “fils tendus”

a - Paratonnerres à “tige”

D SEC 3103 A

Foudre

Les paratonnerres sont constitués de tiges métalliques placées en partie supérieure du bâtiment. L’énergie est écoulée vers la terre au travers d’une descente verticale aussi courte et rectiligne que possible.

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b - Paratonnerres à “cages maillées”

D SEC 3103 B

Foudre

Ce type de paratonnerres, inspiré de la “cage de Faraday” consiste à réaliser un maillage à intervalles réguliers et quadrillant le bâtiment. Les conducteurs peuvent être équipés de pointes courtes (pointes de choc de 35 à 50 cm) sur la périphérie supérieure et les parties saillantes du bâtiment. Chaque conducteur de descente est relié à une prise de terre. Ce dispositif apporte en plus une protection contre les effets indirects de la foudre. c - Paratonnerres à “fils tendus”

D SEC 3104 A

Câbles de garde

Le système est constitué d’un ou de plusieurs fils conducteurs tendus au-dessus des installations à protéger. L’installation de fils tendus nécessite une étude particulière tenant compte notamment de la tenue mécanique, de la nature de l’installation, des distances d’isolement, etc. Les principales applications sont : -

la protection des lignes aériennes (fils de garde) la protection de zones de stockage en plein air de matières dangereuses et/ou explosives la protection des cuves de produits inflammables à toit flottant ou à ciel ouvert

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8-

LES PRISES DE TERRE Par prises de terre, on désigne de façon générale, les parties conductrices enfouies dans le sol et qui sont en liaison électrique avec le terrain. Par “terre”, on désigne les éléments qui composent le terrain (argile, humus, sable, gravier, …). “Mettre à la terre”, signifie de façon tout à fait générale, établir une liaison électriquement conductrice entre un matériau conducteur et la terre. Le rôle des prises de terre associé au maillage des masses peut prendre deux aspects principaux : -

statique : fixer un potentiel invariable des appareils ou des éléments conducteurs

- dynamique : écouler à la terre des courants de nature et d’intensité diverses pouvant atteindre des valeurs extrêmes (coup de foudre par exemple) La norme NFC 17-100 fixe une valeur maximale de la résistance de la prise de terre à dix ohm mais cette valeur n’est guère significative pour l’écoulement des courants de choc. a - Conditions spéciales à l’écoulement des coups de foudre Il faut offrir au courant de foudre un chemin aussi direct que possible. Les conducteurs de descentes ont pour rôle de guider le courant de foudre à la terre. Chaque conducteur de descente est relié à une prise de terre. Toutes les prises de terre sont reliées entre elles. Les prises de terre sont constituées différemment suivant le paratonnerre utilisé : - pour un paratonnerre à tige, les prises de terre sont constituées pour chaque conducteur de descente : • soit par des conducteurs disposés en patte d’oie de grandes dimensions, par exemple trois conducteurs de 7 à 8 m de longueur, enfouis horizontalement à au moins 60 cm de profondeur • soit par un ensemble de trois piquets verticaux de 2 m reliés entre eux et disposés aux sommets d’un triangle équilatéral de 2 m de côté environ - pour un paratonnerre à cage maillée, les prises de terre sont constituées pour chaque conducteur de descente : • soit par des conducteurs disposés en patte d’oie de faibles dimensions, par exemple trois conducteurs de 2 à 3 m de longueur, enfouis horizontalement à au moins 60 cm de profondeur • soit par un ensemble de deux piquets verticaux de 2 m reliés entre eux et distants d’au moins 2 m Les prises de terre sont constituées par des conducteurs de même nature et de même section que les conducteurs de descente. Les connexions sont réalisées de préférence selon un procédé de liaison moléculaire (aluminothermique).

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b - Amélioration des prises de terre Lorsque la résistivité élevée du terrain ne permet pas d’obtenir avec les dispositions habituelles, une résistance de la prise de terre inférieure à 10 ohms, les dispositions complémentaires suivantes peuvent être appliquées : -

ajouter des piquets de terre aux pattes d’oie ou piquets déjà en place

-

multiplier le nombre de prises de terre en les interconnectant

- rapporter autour des conducteurs de terre un matériau de moindre résistivité (terre végétale, argile, …) -

appliquer des traitements qui permettent une diminution de l’impédance

Ainsi, dans les sols de résistivité élevée, il est possible d’améliorer chimiquement la conductibilité du sol : -

adjonction de sel (préférer un sulfate de cuivre au chlorure de sodium pouvant corroder l’électrode) Les sels sont déposés dans une tranchée circulaire autour de la tête du piquet (profondeur 25 à 30 cm) puis arrosés pour imprégner le terrain. Cette solution est peu coûteuse, bien que nécessitant l’utilisation de plusieurs kilos de sel, mais doit être périodiquement renouvelée afin de compenser la perte du sel entraîné par les eaux d’infiltration, ainsi cette méthode n’est pas à recommander

- adjonction de sel métallique sous forme de gel insoluble (combinaison de deux solutions chimiques formant un composé colloïdal stable) Cette solution peut durer plusieurs années et est peu sensible à la sécheresse. La quantité nécessaire est beaucoup plus faible que pour les sels solubles. - une autre possibilité peut consister à noyer une grille de terre de plusieurs m2 entre deux lits de matériaux dont la composition est la suivante : • 80 % de bentonite et 20 % de charbon actif ; mélanger ces deux matières à sec en poudre avant mise en œuvre ; imbiber d’eau par temps sec le lit ainsi constitué ; reboucher avec la terre de la tranchée • la bentonite forme avec l’humidité un gel qui retient une grande quantité d’eau : même par temps sec, on obtient une prise de terre acceptable

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS

C6

STRUCTURE DE LA MATIÈRE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - ÉLÉMENTS - ATOMES - SYMBOLES DES ATOMES ............................................................. 1 1 2 -

Éléments chimiques .....................................................................................................................1 Atomes Symboles des atomes.................................................................................................... 1

II - MOLES D’ATOMES - MASSE ATOMIQUE............................................................................... 2 1 2 -

Moles d’atomes ............................................................................................................................ 2 Masse atomique ...........................................................................................................................2

III - STRUCTURE ET CLASSIFICATION DES ATOMES................................................................ 4 1 2 3 -

Constitution des atomes ...............................................................................................................4 Représentation symbolique des atomes ...................................................................................... 4 Classification des atomes.............................................................................................................8

IV - REPRÉSENTATION SYMBOLIQUE DES MOLÉCULES - FORMULE DE LA MOLÉCULE .. 11 1 2 -

Corps purs simples - Corps purs composés ..............................................................................11 Formule de la molécule .............................................................................................................. 13

V - MOLE - MASSE MOLAIRE ..................................................................................................... 14 VI - VOLUME MOLAIRE ................................................................................................................ 16 VII - STRUCTURE DISCONTINUE DE LA MATIÈRE À L’ÉCHELLE MOLÉCULAIRE .................. 18 1 2 3 -

Structure des gaz .......................................................................................................................18 Structure des liquides .................................................................................................................18 Structure des solides.................................................................................................................. 19

V - CORPS PURS À STRUCTURE NON MOLÉCULAIRE : FORMULE DE COMPOSITION ..... 20

BA CHG - 02208_A_F - Rév. 2

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13/07/2005

-1/A

1

I-

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ÉLÉMENTS - ATOMES - SYMBOLES DES ATOMES 1-

ÉLÉMENTS CHIMIQUES La matière se présente à l’état de solide, de liquide ou de gaz, et est constituée d’un nombre infini de composés chimiques différents. Ceux-ci toutefois ne sont formés qu’à partir d’une centaine d’éléments chimiques de base dont les nombreuses possibilités de combinaison conduisent à cette immense variété de produits chimiques naturels ou synthétiques qui existent dans le monde. Les éléments chimiques les plus répandus sur la terre sont par ordre décroissant d’importance : l’oxygène (49 % masse), le silicium (26 % masse), l’aluminium (7,5 % masse). Avec 0,08 % le carbone élément de base de la chimie des êtres vivants n’apparaît qu’en quatorzième position. Le même élément peut rentrer dans la composition de corps extrêmement différents. Ainsi, l’élément carbone est commun au charbon, au gaz carbonique, au sucre, à l‘alcool, au caoutchouc, aux protéines ... de même l’élément oxygène est présent dans l’eau, la silice (sable), le calcaire, l’acide acétique (vinaigre), l’aspirine, ...

2-

ATOMES - SYMBOLES DES ATOMES À chaque élément correspond une ou plusieurs particules élémentaires que l’on appelle ATOMES. Les atomes sont les plus petites particules matérielles qui puissent être obtenues par fractionnement ou décomposition chimique d’une substance. Leur taille est infiniment petite : -

le diamètre des atomes est de l’ordre de l’Angström (1 Å = 10–10 m), le plus petit, il s’agit de l’atome d’hydrogène, a un diamètre de 0,37 Å.

- la masse des atomes est également très faible, celle de l’atome de carbone par exemple est de 2.10–23 g. Aucune balance aussi précise et sensible qu’elle soit n’est capable de mesurer une masse aussi faible. Pour plus de commodité, on fait correspondre à chaque atome un symbole qui est le plus souvent l’initiale ou les 2 premières lettres du nom de l’élément. Le tableau ci-après donne les symboles chimiques des éléments les plus répandus. Nom de l’élément Aluminium Argent Argon Azote (nitrogène) Baryum Brome Calcium Carbone Chlore Cuivre Étain (stannum) Fer Fluor Hélium Hydrogène

Symbole

Nom de l’élément

Symbole

Al Ag Ar ou A N Ba Br Ca C Cl Cu Sn Fe F He H

Magnésium Mercure (hydrargyrum) Nickel Or (aurum) Oxygène Phosphore Platine Plomb Potassium (kalium) Silicium Sodium (natrium) Soufre Tungstène (wolfram) Zinc

Mg Hg Ni Au O P Pt Pb K Si Na S W Zn

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II -

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MOLES D’ATOMES - MASSE ATOMIQUE 1-

MOLES D’ATOMES Les atomes sont si petits qu’il est difficile de raisonner à leur échelle, ainsi : 1 kg de fer est constitué de 1025 atomes 1 clou en fer de 6 1022 atomes et 1 poussière (obtenue en limant un clou) d’environ 1017 atomes Ces chiffres ne sont pas pratiques ; aussi pour plus de commodité, on compte les atomes par groupes. Comme unité de comptage de la taille des groupes il a été convenu de choisir un nombre N = 6,02.1023, soit six cent deux mille milliards de milliards. (602.000.000.000.000.000.000.000). Ce nombre N est appelé Nombre d’Avogadro permet de définir la mole qui est, par définition, un groupe de N particules. 1 MOLE D’ATOMES = 6,02 10 23 ATOMES avec cette notation : -

2-

1 kg de fer est constitué de 17,9 moles d’atomes de fer 1 clou de 0,1 mole 1 poussière de 0,10.10–6 mole

MASSE ATOMIQUE Chaque atome ayant une masse unitaire différente, la masse de 1 mole d’atomes dépend bien sûr de l’élément considéré ; cette masse est appelée masse atomique. Pour le carbone de symbole C : Masse de N atomes de carbone = Masse atomique du carbone = 12 grammes ou encore plus simplement

C = 12 g/mol Le tableau ci-dessous donne les masses atomiques correspondant aux principaux éléments.

Nom de l’élément Aluminium Argent Argon Azote (nitrogène) Baryum Brome Calcium Carbone Chlore Cuivre Étain (stannum) Fer Fluor Hélium Hydrogène

Symbole Al Ag Ar ou A N Ba Br Ca C Cl Cu Sn Fe F He H

Masse atomique (en g/mol)

137,3

35,5 63,5 118,7

27 108 40 14 80 40 12

56 19 4 1

Nom de l’élément Magnésium Mercure (hydrargyrum) Nickel Or (aurum) Oxygène Phosphore Platine Plomb Potassium (kalium) Silicium Sodium (natrium) Soufre Tungstène (wolfram) Zinc

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Symbole Mg Hg Ni Au O P Pt Pb K Si Na S W Zn

Masse atomique (en g/mol) 24,3 200,6 58,7 197 16 31 195 207 39,1 28,1 23 32 184 65,4

3

C 6 -1/A

Application Déterminer le nombre de moles et d’atomes d’or présents dans un bijou de 20 g : -

masse atomique de l’or

=

g/mol

-

nombre de moles d’or

=

moles

-

nombre d’atomes d’or

=

atomes

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III - STRUCTURE ET CLASSIFICATION DES ATOMES 1-

CONSTITUTION DES ATOMES L’atome est constitué d’un noyau de dimension très faible par rapport à celle de l’atome et d’un ou de plusieurs électrons qui “gravitent” autour du noyau. Le noyau qui concentre la majeure partie de la masse de l’atome est formé lui-même par l’assemblage d’un certain nombre de neutrons et de protons. Les caractéristiques des particules élémentaires constituant les atomes sont les suivantes : - les électrons sont des particules de masse négligeable (9,1 × 10–31 kg) par rapport à celle de l’atome et chargés d’électricité négative. Cette charge électrique n’est pas quelconque, elle a une valeur bien déterminée (– 1,6 × 10–19 Coulomb), on l’appelle charge élémentaire et comme elle est négative on la note : – e -

les protons sont des particules chargées d’électricité positive. Chaque proton porte une charge élémentaire (+ 1,6 × 10–19 Coulomb) d’électricité positive : + e La masse d’un proton est appelée masse élémentaire.

- les neutrons sont des particules de masse presque égale à celle des protons, mais ne portant aucune charge électrique (d’où leur nom de neutrons). SI UN NOYAU EST FORME DE et de

N neutrons Z protons

- la MASSE du NOYAU et donc LA MASSE de l’ATOME si l’on néglige la masse des électrons est : Masse de l’atome = A = (N + Z) fois la masse élémentaire -

la CHARGE du NOYAU est : Charge du noyau = Z fois la charge élémentaire = + Ze

- le NOMBRE D’éLECTRONS est égal au nombre Z de protons car les atomes sont électriquement neutres. La charge des électrons est – Ze. Z EST LE NUMÉRO ATOMIQUE, il indique le nombre égal de protons et d’électrons possédés par l’atome.

2-

REPRÉSENTATION SYMBOLIQUE DES ATOMES On utilise ici la représentation simplifiée de l’atome dû à BOHR dans laquelle on assimile le mouvement des électrons à une rotation autour du noyau central. Cette représentation ne peut être faite à l’échelle. En effet, si le diamètre des atomes (diamètre qui dépend de leur nature) varie de moins de un à quelques angströms, le diamètre du noyau est environ 10 000 fois plus petit et celui de l’électron 100 000 fois plus petit. Chaque atome est représenté par un noyau autour duquel, sur plusieurs orbites, gravitent des électrons. Les exemples de l’atome d’hydrogène et l’atome de carbone permettent d’illustrer cette représentation.

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1 électron noyau : 1 proton

H

D CH 001 A

L’hydrogène est le plus simple des atomes. Son noyau ne renferme pas de neutron, mais un seul proton. Autour de ce proton gravite un électron.

Numéro atomique : Z = 1 Masse atomique : Z + N = 1 + 0 = 1

L’atome de carbone est représenté ci-dessous. Son noyau est composé de 6 protons et 6 neutrons. On remarque que les électrons gravitant autour du noyau se répartissent cette fois en 2 couches concentriques, la plus proche du noyau ne portant que 2 électrons.

6 électrons : 1° couche : 2 électrons 2° couche : 4 électrons

noyau : 6 protons 6 neutrons

D CH 002 A

C

Numéro atomique : Z = 6 Masse atomique : Z + N = 12

On a l’habitude de décrire un atome en indiquant son symbole précédé de 2 nombres placés l’un au12 dessus de l’autre qui définissent sa structure. Ainsi pour le carbone on écrit 6 C ce qui signifie :

6

Nombre de masse = nombre de protons + nombre de neutrons

C Numéro atomique = nombre de protons ou d'électrons

L’atome d’hydrogène se décrit par :

1 1

H

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D CH 2098 A

12

6

C 6 -1/A

Application Structure de l’atome d’hydrogène

16 8

O

Numéro atomique Nombre de protons Nombre d’électrons Nombre de neutrons Masse atomique

D’autres exemples de structures atomiques sont regroupés dans le tableau de la page suivante. On constate, en examinant les structures des différents atomes que les électrons se répartissent autour du noyau sur des couches électroniques successives : - la première couche peut contenir au maximum deux électrons ce qui correspond à 2 éléments différents : H et He. - la deuxième couche, elle, peut contenir 8 électrons au maximum, ainsi que les suivantes (dans la réalité à partir de la 3ème couche il y a plusieurs sous-couches, c’est alors la souscouche principale qui ne peut contenir que 8 électrons). On remarque également que sur une même couche contenant plus de 4 électrons, les électrons supplémentaires se groupent deux par deux pour former des paires ou “doublets”. Lorsque sur une couche un électron isolé n’entre pas dans la constitution d’une paire il est appelé “électron célibataire” ou “singlet”. LA RÉPARTITION DES ÉLECTRONS SUR LES DIFFÉRENTES COUCHES EST FONDAMENTALE CAR ELLE CONDITIONNE LA FAÇON DONT S’ASSEMBLENT LES ATOMES ENTRE EUX AINSI QUE LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES CORPS PURS. Il existe des éléments portant le même numéro atomique, possédant donc le même nombre d’électrons et de protons, mais dont le noyau contient un nombre de neutrons différent. Ce sont des ISOTOPES qui diffèrent par leur masse atomique.

02208_A_F

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POTASSIUM

SODIUM

LITHIUM

HYDROGENE

I

K

Na

39 19

23 11

Li

H

7 3

1 1

CALCIUM

MAGNESIUM

BERYLLIUM

II

Ca

Mg

Be

40 20

24 12

9 4 ALUMINIUM

BORE

III

27 13

11 5

Al

B

GERMANIUM

SILICIUM

CARBONE

IV

72 32

Si

C

Ge

28 14

12 6

ARSENIC

PHOSPHORE

AZOTE

V

75 33

P

N

As

31 15

14 7 SOUFRE

OXYGENE

VI

CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS

32 16

16 8

S

O

02208_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training IODE

BROME

CHLORE

FLUOR

VII

l

Br

Cl

F

127 53

80 35

35 17

19 9

XENON

KRYPTON

ARGON

NEON

HELIUM

VIII

75 54

Kr

A

Xe

84 36

40 18

Ne

He

20 10

4 2

7

C 6 -1/A

8

C 6 -1/A

Le carbone (Z = 6) a ainsi 3 isotopes. Le noyau de l’atome de carbone qui compte 6 protons peut contenir 6, 7 ou 8 neutrons :

12 6

C

;

13 6

;

C

14 6

C

Selon le cas on parle aussi de carbone 12, 13 ou 14. L’hydrogène (Z = 1) a un isotope dont le noyau contient un neutron : le deutérium.

1 1

H

2

(hydrogène) ;

1

H

(deutérium)

L’uranium (Z = 92) possède les isotopes suivants :

234 92

U

;

235 92

U

;

238 92

U

Il existe environ 300 isotopes naturels différents qui sont inégalement répartis. Les isotopes d’un même élément possèdent le même numéro atomique et ont en conséquence des propriétés chimiques similaires.

3-

CLASSIFICATION DES ATOMES Si l’on ne considère que les électrons gravitant autour du noyau, on peut classer les éléments par nombre croissant d’électrons de 1 (hydrogène) à 103 (Lawrencium). Sur la base des propriétés chimiques des corps simples, Mendeleiev en 1869 a placé ces 103 éléments dans un tableau connu sous le nom de classification périodique des éléments. Dans ce tableau les éléments sont classés en fonction de leur numéro atomique et de telle sorte que dans une colonne verticale on trouve des atomes possédant une même configuration électronique sur leur couche extérieure. Tous les éléments de la 1ère colonne située au-dessous de l’hydrogène, possèdent 1 seul électron sur leur couche externe ; ils constituent la famille des Métaux alcalins (lithium, sodium, potassium). Les éléments de la 2ème colonne possèdent 2 électrons sur leur couche externe : ce sont les alcalino-terreux (béryllium, magnésium, calcium). Les éléments de la 7ème colonne contenant 7 électrons sur leur dernière couche sont connus sous le nom d’halogènes (fluor, chlore, brome, iode)

02208_A_F

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9

C 6 -1/A

La colonne située la plus à droite regroupe des éléments possédant une couche électronique externe saturée :

Hélium

He

He

D CH 004 B

4 2

20 Néon

Ne

Ne

10

D CH 005 B

1ère couche saturée (2 électrons)

40 Argon

Ar

Ar

18

D CH 006 B

2ème couche saturée (8 électrons)

3ème couche comportant également 8 électrons Ces éléments (Hélium, Néon, Argon, Krypton, Xénon), sont appelés gaz rares ou gaz inertes. En effet, il est très difficile de les faire réagir avec d’autres composés. C’est la saturation des couches électroniques externes qui confère à ces éléments une très grande stabilité chimique. Ceci explique également que ces éléments existent à l’état de GAZ MONOATOMIQUES.

1 H

1

H

D CH 007 B

Ce n’est pas le cas des autres atomes. Prenons un exemple simple : celui de l’atome d’hydrogène, seul il n’est pas stable. Sa structure est la suivante :

Sa couche électronique externe n’est, en effet, pas saturée, elle ne contient qu’un seul électron ; pour pouvoir exister à l’état stable il devra acquérir la configuration électronique d’un gaz inerte, en s'associant avec d’autres atomes.

02208_A_F

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Tableau périodique des éléments

02208_A_F

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7

6

5

4

3

2

1

26

28

IB

II B

III B

IV B VB

VI B

VII B

O

Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe

22

23

24

25

27

29 30

47

Cuivre

48

Zinc

49

Gallium

72

73

74

Molybdène

75

Technétium

76

Ruthénium

77

Rhodium

88

87

89

Lanthane

Francium

Radium

Actinium

Fr Ra Ac

Barium

Césium

Hafnium

33

18

Néon

Ne

Chlore

35

34

36

Argon

Cl Ar

17

Fluor

F

9

Soufre

S

16

Oxygène

O

8

59

Tungstène

60

Rhénium

61

Osmium

62

Iridium

63

Platine

Pt

78

Palladium

80

Cadmium

81

Indium

52

Sélénium

82

Étain

83

Antimoine

84

Tellure

Sn Sb Te

51

Arsenic

85

Iode

I

53

Brome

86

Xénon

Xe

54

Krypton

64

Or

65

Mercure

66

Thallium

67

Plomb

68

Bismuth

69

Polonium

70

Astate

71

Radon

Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

79

Argent

50

Germanium

91

90

Thorium

Protactinium

Th Pa

Praséodyme

Cérium

93

Prométhium

94

Samarium

95

Europium

96

Gadllinium

97

Terbium

98

Dysprosium

99

Holmium

100

Erbium

Ytterbium

102

Thulium

101

103

Lutécium

Uranium

Neptunium

Plutonium

Américium

Curium

Berkélium

Californium

Einsteinium

Fermium

Mendélévium

Nobélium

Lawrencium

U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

92

Néodyme

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

58

Tantale

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir

57

Niobium

56

46

Nickel

55

45

Cobalt

Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In

44

Fer

Zirconium

43

Manganèse

Y

42

Chrome

Yttrium

41

32

Phosphore

P

15

Azote

N

7

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Strontium

40

V Vanadium

Rubidium

39

Titane

Rb Sr

38

37

Scandium

Ca Sc Ti

Calcium

K

Potassium

31

20

19

21

Si Silicium

Al Aluminium

14

Magnésium

13

Carbone

C

6

Sodium

12

11

Bore

B

5

Na Mg

Béryllium

Lithium

Li Be

4

10

VIII

Groupe

3

VII A

Hélium

VI A

He

VA

H

IV A

Hydrogène

III A 2

II A

1

IA

Periodes Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe

10

C 6 -1/A

D CH 008 A

11

C 6 -1/A

IV - REPRÉSENTATION SYMBOLIQUE DES MOLÉCULES - FORMULE DE LA MOLÉCULE L’examen de la structure de la plupart des gaz et des liquides montre qu’ils sont formés de groupements d’atomes appelés molécules. On dit qu’ils ont une structure moléculaire. Une molécule est constituée d’un assemblage de deux ou plusieurs atomes liés entre eux. Ces liaisons dont la nature sera explicitée plus loin, permettent une infinité de possibilités de combinaison des atomes entre eux. S’il n’existe qu’une centaine d’éléments différents on conçoit que l’on puisse trouver un nombre quasiment illimité de molécules naturelles ou synthétiques.

Les corps purs ne sont constitués que d’une seule sorte de molécule, c’est la nature même de cette molécule qui confère au corps considéré toute ses propriétés physico-chimiques. On peut représenter schématiquement des molécules en symbolisant l’atome par un cercle à l’intérieur duquel figure son symbole chimique et les liaisons entre atomes au sein de la molécule par un trait reliant 2 atomes.

1-

CORPS PURS SIMPLES - CORPS PURS COMPOSÉS Lorsque la molécule d’un corps pur est formée d’atomes identiques, on dit qu’il s’agit d’un corps simple ; c’est par exemple le cas de l’hydrogène dont les molécules sont constituées de deux atomes d’hydrogène:

H

D CH 009 A

H 0,74 Å

Cette molécule diatomique est aussi parfois dénommée dihydrogène.

O

O 1,20 Å

N

N

Cl

1,09 Å

02208_A_F

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Cl 1,99 Å

D CH 010 A

De la même manière, les corps simples que sont l’oxygène, l’azote, le chlore, existent à l’état de molécules diatomiques dont les caractéristiques sont représentées ci-dessous. On peut observer les tailles différentes des atomes et les différences existant dans la longueur des liaisons.

12

C 6 -1/A

Lorsque les atomes constitutifs de la molécule sont différents, on dit qu’il s’agit d’un corps composé. C’est le cas de l’eau dont les molécules triatomiques sont formées de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.

0,9

6Å

O H

D CH 011 A

H 104,5°

Les deux atomes d’hydrogène sont liés à l’atome d’oxygène de telle sorte que l’angle des liaisons O–H soit de 104,5°. La molécule de gaz carbonique est constituée d’un atome de carbone lié à 2 atomes d’oxygène.

C

O D CH 013 A

O 1,15 Å

Contrairement à la molécule d’eau, cette molécule est linéaire, les 2 liaisons étant dans le prolongement l’une de l’autre. La molécule d’ammoniac est composée d’un atome d’azote lié à 3 atomes d’hydrogène. On remarque par ailleurs la structure tétraédrique de la molécule, l’atome d’azote occupe un des sommets, les 3 atomes d’hydrogène les trois autres sommets constituants la base du tétraèdre. L’angle constant entre deux liaisons N–H voisines est de 107°.

N °

H

H H

5Å

1,6

02208_A_F

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D CH 012 A

107

13

C 6 -1/A

La molécule de méthane est de structure tétraédrique, les 4 atomes d’hydrogène occupent les sommets, l’atome de carbone en occupe le centre.

H

9Å

8°

,2 109

H

D CH 014 A

1,0

C

H

H

2-

FORMULE DE LA MOLÉCULE À chaque type de molécule, c’est-à-dire à chaque corps pur, on fait correspondre une formule. Cette formule est constituée à l’aide des symboles des atomes liés au sein de celle-ci. On écrit d’abord les symboles des atomes présents dans la molécule, puis on indique en indice par un chiffre le nombre d’atomes de chaque espèce. La molécule d’eau est formée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. On écrit donc d'abord HO puis on affecte à H et O des indices 2 et 1 soit H2O1. En fait le chiffre 1 en indice est sousentendu. La formule de la molécule d’eau est : H 2O de même : formule de l’hydrogène formule de l’oxygène formule de l’azote formule du gaz carbonique formule de l’ammoniac formule du méthane

H2 O2 N2 CO 2 NH3 CH4

Inversement, la lecture de la formule d’une molécule d’un corps pur permet de connaître le nombre et la nature des atomes qui composent cette formule. La formule d’une molécule d’hydrogène sulfuré s’écrit H 2S. Il y a donc dans cette molécule 2 atomes d’hydrogène et un atome de soufre.

02208_A_F

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14

V-

C 6 -1/A

MOLE - MASSE MOLAIRE On sait déjà que le terme mole signifie groupe de N particules élémentaires identiques (N = 6,02 . 1023) et qu’une mole d’atome représente N atomes. Lorsqu’il s’agit d’un corps pur à structure moléculaire, la particule élémentaire qui le constitue est la molécule. Une mole de corps pur représente donc N molécules sans qu’il soit nécessaire de préciser “mole de molécules” expression qui serait assez lourde. Par contre, pour éviter les confusions, il faut préciser dans les autres cas de quelle particule élémentaire il s’agit. Ainsi, par exemple, une mole d’atomes d’oxygène représente N atomes d’oxygène, une mole d’oxygène gazeux représente N molécules O2 (formées de 2 N atomes d’oxygène). On définit la masse molaire comme la masse d’une mole. Elle est égale à la somme des masses atomiques de tous les éléments constituant cette molécule. Les exemples suivants montrent la démarche de calcul des masses molaires :

- masse molaire de l’eau la formule de la molécule d’eau s’écrit H2O Une mole d’eau est donc formée de 2 moles d’atomes d’hydrogène et de 1 mole d’atomes d’oxygène. Sa masse molaire vaut donc : masse de 2 moles d’atomes d’hydrogène + masse de 1 mole d’atomes d’oxygène

=

2 x 1 g/mol

=

16 g/mol 18 g/mol

Masse molaire de l’eau H2O = 18 g/mol - masse molaire de l’oxygène la formule de l’oxygène s’écrit O2 soit : 2 x 16 g/mol = 32 g/mol - masse molaire de l’azote la formule de l’azote s’écrit N2 soit : 2 x 14 g/mol = 28 g/mol - masse molaire du méthane la formule du méthane s’écrit CH4 soit : 1 x 12 g/mol + 4 x 1 g/mol = 16 g/mol

02208_A_F

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15

C 6 -1/A

Application 1 Calcul de masses molaires Butane C4 H 10

Masse molaire du butane

g/mol

Soude NaOH

Masse molaire de la soude

g/mol

Acide sulfurique H2 SO4

Masse molaire de l’acide sulfurique

g/mol

Application 2 Déterminer le nombre de moles de soude par litre dans une solution de soude à 120 g/l. Concentration de la solution

mol/l

02208_A_F

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16

C 6 -1/A

VI - VOLUME MOLAIRE La loi des gaz parfaits exprime le fait que le comportement de gaz parfaits différents peut être traduit par une loi unique. Cette loi s’énonce par exemple de la manière suivante : “Des volumes égaux de gaz différents, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, renferment le même nombre de molécules”. Une mole d’un gaz parfait quelconque ; puisqu’elle contient N molécules, occupe donc un même volume, appelé volume molaire, quelle que soit la nature du gaz. Ainsi, par exemple, une mole de gaz carbonique, soit 44 g de gaz carbonique, une mole de butane, soit 58 g de butane, une mole d’hydrogène, soit 2 g d’hydrogène, une mole d’oxygène, soit 32 g d’oxygène, toutes prises à l’état gazeux occupent la même volume lorsqu’elles sont placées dans les mêmes conditions de température et de pression. Cela suppose toutefois que ces différents composés gazeux se comportent comme des gaz parfaits ce qui est bien vérifié à basse pression. Le volume molaire dépend des conditions de température et de pression supportées par le gaz et peut être calculée de manière approchée par la loi des gaz parfaits. En particulier, dans les conditions normales

{

t = 0°C p = 1 atm

la volume molaire vaut : Vm = 22,414 l/mol

Les valeurs des masses et volumes molaires montrent que la mole constitue une unité petite pour s’appliquer aux quantités traitées dans le monde industriel. Cela explique que l’on utilise souvent la kilomole (kmol). 1 kmol = 1000 mol Les masses et volumes relatifs à la kilomole s’expriment par les mêmes nombres que ceux obtenus précédemment sous réserve de substituer les kg aux g et les m3 aux litres. Ainsi, par exemple, on sait que l’eau a une masse molaire : H 2O = 18 g/mol soit encore : H 2O = 18 kg/kmol Parallèlement, le volume molaire des gaz dans les conditions normales est : Vm = 22,4 m3 /kmol

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17

C 6 -1/A

Application 1 Calculer, dans les conditions normales, la masse de 1 litre de gaz carbonique CO2 et de 1 litre d’oxygène O2.

masse de 1 litre de CO2

g/l

masse de 1 litre d’O2

g/l

Application 2 Un compresseur d’hydrogène pur refoule dans des conditions de température et de pression où le volume molaire vaut 1 litre. Dans ces mêmes conditions le débit volumique est de 50 000 m3 /j. Calculer le débit molaire et le débit massique. débit molaire

=

=

mol/j

débit massique

=

=

kg/j

02208_A_F

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18

C 6 -1/A

VII - STRUCTURE DISCONTINUE DE LA MATIÈRE À L’ÉCHELLE MOLÉCULAIRE 1-

STRUCTURE DES GAZ Le schéma ci-dessous représente l’image grossie jusqu’au niveau moléculaire de l’air qui nous entoure. Si l’on s’intéresse à un cube d’air de 0,01 micromètre d’arête on rencontre statistiquement dans ce cube 25 molécules qui sont des molécules d’azote, d’oxygène, de gaz carbonique, d’eau, etc.

Conditions ambiantes

1 bar 20°C

25 molécules

D CH 253 A

0,01µ

Les molécules sont représentées sur le schéma par un point car leur taille est de l’ordre de 1/10000e de micromètre. Elles s’agitent et se déplacent dans le vide qui les entoure. La petitesse des molécules est illustrée par le fait qu’un litre d’air par exemple renferme dans les conditions ambiantes 25 mille milliards de milliards de molécules.

2-

STRUCTURE DES LIQUIDES En comparaison avec le cube d’air représenté précédemment, dans un cube d’eau liquide de même arête (0,01 micron), à température ambiante, il y a environ 33500 molécules d’eau, soit 1340 fois plus. Dans un liquide les molécules sont donc proches les unes des autres ainsi que le montre le schéma ciaprès. Ceci se traduit notamment pour un corps donné, par une masse volumique à l’état liquide du même ordre de grandeur qu’à l’état solide.

GAZ

surface libre

eau à l'état liquide

02208_A_F

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D CH 254 A

LIQUIDE

19

C 6 -1/A

Au sein d’un liquide, les molécules gardent une certaine liberté puisqu’un liquide s’écoule, c’est un fluide. Un liquide est toutefois quasi incompressible, ce qui signifie que les molécules déjà proches les unes des autres ne peuvent être rapprochées davantage. Chaque molécule est soumise à une faible agitation qui dépend de la température. Si on augmente celle-ci, l’agitation s’accroît ainsi que l’encombrement de chaque molécule. Globalement, cela se traduit par une augmentation du volume de liquide : c’est le phénomène de dilatation. Les forces de cohésion entre molécules existant à l’état liquide nécessitent pour être brisées une mise en agitation importante. Cela suppose : -

d’atteindre une température suffisante appelée température d’ébullition de fournir une certaine quantité d’énergie thermique appelée chaleur de vaporisation

Par ailleurs, ces mêmes forces de cohésion expliquent la surface libre présentée par un liquide quand il se trouve en présence d’un gaz et sont à la base des phénomènes de tension de vapeur.

3-

STRUCTURE DES SOLIDES De nombreux solides sont cristallisés. Certains échantillons se présentent sous la forme de cristaux ayant des formes géométriques régulières bien définies. Quelques solides présentent une structure moléculaire. Ainsi la glace ou la neige sont constituées par des molécules d’eau régulièrement distribuées dans l’espace formant un édifice rigide parfaitement cristallisé. De nombreuses matières plastiques, fibres synthétiques, caoutchouc sont également constitués de très grosses molécules (macromolécules) plus ou moins bien ordonnées dans l’espace les unes par rapport aux autres.

02208_A_F

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20

C 6 -1/A

VIII - CORPS PURS À STRUCTURE NON MOLÉCULAIRE : FORMULE DE COMPOSITION De nombreux corps purs solides ou liquides ne possèdent pas une structure moléculaire. Ainsi, les métaux ont une structure cristalline qui résulte d’un empilage régulier d’atomes ; on dit qu’ils possèdent une structure atomique. Le chlorure de sodium (sel de cuisine) est constitué par deux types de particules élémentaires chargées d’électricité (ions sodium et ions chlorures) sa structure est ionique. Quelle que soit la structure, on représente toujours par une formule l’unité élémentaire constituant un corps, et on appelle toujours mole un nombre N de ces unités. Ainsi, le chlorure de sodium est représenté par une formule : NaCl qui ne correspond en rien à une formule moléculaire (comme on l’a vu la molécule NaCl n’existe pas), il s’agit simplement d’une formule de composition signifiant qu’une mole de NaCl est une mole d’unité NaCl, elle est donc constituée de N atomes de sodium et de N atomes de chlore et sa masse molaire vaut : 23 + 35,5 = 58,5 g/mol

D CH 1551 A

Il existe de nombreux exemples de formules de composition. Ainsi l’oxyde d’aluminium ou alumine est notée Al2O 3 signifiant que 1 mole d’alumine est en moyenne composée de 2 moles d’aluminium et de 3 moles d’oxygène, la silice est notée SiO2, les oxydes de fer FeO, Fe2O3, …

02208_A_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS

C6

LIAISONS CHIMIQUES Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - LA LIAISON COVALENTE ........................................................................................................ 1 1 2 3 -

Établissement d’une liaison covalente.......................................................................................... 1 Valence d’un élément chimique ...................................................................................................2 Cas particulier des liaisons doubles et triples ..............................................................................4

II - POLARITÉ DE LA LIAISON COVALENTE - MOLÉCULES POLAIRES ................................... 6 1 2 3 -

Molécule polaire - Molécule apolaire............................................................................................ 6 Polarité d’une liaison covalente - Échelle d’électronégativité des éléments ................................ 6 Exemple de molécule polaire : l’eau.............................................................................................7

III - LA LIAISON IONIQUE............................................................................................................... 9 1 2 3 -

Exemple de liaison ionique...........................................................................................................9 Les différents ions : anions - cations.......................................................................................... 10 Structures ioniques.....................................................................................................................11

IV - RUPTURE DES LIAISONS CHIMIQUES ................................................................................ 12 1 2 3 -

Solution aqueuse - Ionisation .....................................................................................................12 Dissociation ionique de l’eau liquide .......................................................................................... 13 Radicaux .................................................................................................................................... 14

BA CHG - 02153_A_F - Rév. 1

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13/07/2005

-1/B

1

C 6 -1/B

On distingue plusieurs types de liaisons chimiques ; parmi lesquelles les liaisons covalentes, les liaisons covalentes polarisées et les liaisons ioniques.

I-

LA LIAISON COVALENTE 1-

ÉTABLISSEMENT D’UNE LIAISON COVALENTE Très répandue dans les structures moléculaires, la liaison covalente est matérialisée par la mise en commun d’électrons des atomes qui s’assemblent. Cette mise en commun n’est pas quelconque. Elle correspond pour chacun des atomes concernés à l’évolution vers une structure électronique stable correspondant à une saturation de leur couche externe. Ils acquièrent ainsi la configuration électronique stable d’un gaz inerte. Les exemples des molécules d’hydrogène, d’eau et de méthane illustrent ce comportement. 1ère exemple : la molécule d’hydrogène Cette molécule est composée de 2 atomes d’hydrogène composés chacun d’un noyau (1 proton) et d’un électron. Pour saturer leur couche externe à 2 électrons, les 2 atomes d’hydrogène mettent en commun leur électron et tout se passe comme si chacun de ces atomes dans la molécule en avait deux. Ils acquièrent ainsi la configuration électronique stable de l’hélium.

+

H

H

+

H

H

H

D CH 017 A

H

H2

La liaison ainsi créée entre les 2 atomes est constituée par la mise en commun d’un doublet électronique, chacun des atomes apportent 1 électron dans cette liaison. Elle est appelée liaison de covalence. On remarque que ce doublet n’appartient en propre à aucun des deux atomes, mais aux deux à la fois. Ceci signifie en particulier, que les deux électrons doivent être en mouvement autour des deux noyaux à la fois. 2ème exemple : la molécule H2O La molécule d’oxygène à 6 électrons sur sa couche externe et l’atome d’hydrogène n’en a qu’un. La saturation des couches externes exige 8 électrons dans un cas et 2 dans l’autre.

H

H

+

O

O

H

2H +

1O

H2O

D CH 018 A

2

Chaque atome d’hydrogène met en commun son électron avec l’atome d’oxygène qui en retour en offre un en commun avec chacun des atomes d’hydrogène. 02153_A_F

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2

C 6 -1/B

L’atome d’oxygène a donc 8 électrons sur sa couche externe maintenant saturée et il en est de même pour les atomes d’hydrogène avec 2 électrons sur leur couche externe. Tous trois ont donc acquis la configuration électronique d’un gaz rare. 3ème exemple : le méthane CH4 C a 6 électrons au total dont 4 sur sa couche externe. On voit donc que pour la saturer à 8 électrons, il lui faut mettre en commun 4 électrons avec des atomes d’hydrogène.

H

+

H

C

H

C

H

4 H

4H +

1C

CH4

D CH 019 A

1

En conclusion, lorsque deux atomes sont liés par une liaison covalente chaque atome fournit un électron, pour former un doublet électronique commun aux deux atomes. La recherche de la structure électronique d’un gaz rare limite les possibilités d’assemblage et fixe pour chaque atome, le nombre de liaisons pouvant être établies avec d’autres. Ces possibilités d’association sont définies par la valence.

2-

VALENCE D’UN ÉLÉMENT CHIMIQUE La valence est le nombre de liaisons covalentes qu’un atome peut établir avec d’autres atomes. Elle est égale au nombre des électrons de la couche externe qui doivent s’apparier pour que cette couche externe devienne saturée. Les exemples ci-après illustrent cette définition. Éléments monovalents (ou univalents) (valence = 1) H

Z=1

couche externe 1 électron

couche externe saturée à 2 électrons

valence = 2 – 1 = 1 électron à mettre en commun

Cl

Z = 17

couche externe 7 électrons

couche externe saturée à 8 électrons

valence = 8 – 7 = 1 électron à mettre en commun

Élément divalent (valence = 2) O

Z = 8 dont 6 sur la couche externe 8 – 6 = 2 électrons à mettre en commun

La divalence de l’atome d’oxygène est mise en évidence dans la molécule H2O.

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3

C 6 -1/B

Élément trivalent (valence = 3) N

Z = 7 dont 5 sur la couche externe 8 – 5 = 3 électrons à mettre en commun.

La tétravalence de l’atome d’azote est mise en évidence dans la molécule d’ammoniac NH 3. Élément tétravalent (valence = 4) C

Z = 6 dont 4 pour la couche externe 8 – 4 = 4 électrons à mettre en commun

La molécule simple CH4 fait apparaître la tétravalence de l’atome de carbone. La valence des différents atomes est illustrée par la représentation conventionnelle suivante :

H—

Cl —

—O—

—N— 

 —C—  Chaque tiret représente une liaison covalente. Cela conduit à la représentation de formules développées de molécules. Pour l’éthane C 2H 6 on a ainsi :

H H   H—C—C—H   H H

ou encore

CH3 – CH3

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4

3-

C 6 -1/B

CAS PARTICULIER DES LIAISONS DOUBLES ET TRIPLES Dans une même molécule, l’assemblage des atomes ne peut se faire que si leur valence est satisfaite. Il ne peut y avoir en effet d’électron non apparié. En conséquence chaque atome doit établir un nombre de liaisons covalentes égal à sa valence. Cette règle conduit à certains arrangements particuliers entre atomes comme notamment les liaisons doubles ou triples pouvant être mises en œuvre par les atomes de carbone. • Liaison double L’éthylène de formule C 2 H 4 possède la forme développée suivante dans laquelle chaque atome de carbone est lié à 2 atomes d’hydrogène.

H

H C

H

D CH 1683 A

C

H

Les atomes de carbone n’ont en conséquence que 3 valences saturées, mais ils possèdent encore chacun un électron. En mettant en commun cet électron ils vont créer une deuxième liaison conduisant à l’établissement d’une liaison covalente double entre les atomes de carbone.

H C

H

H

C

H C

H

CH2

C

H

H

CH2

D CH 1684 A

H

De cette manière, la valence 4 du carbone est respectée. • Liaison triple

H C

C

H

D CH 1685 A

Dans la molécule d’acétylène de formule C2H 2 les atomes de carbone n’ont que 2 valences saturées.

Chaque atome de carbone possède 2 électrons non appariés qui sont donc mis en commun pour former deux nouvelles liaisons.

H C

C

H

D CH 1686 A

Au total, 3 liaisons lient les deux atomes de carbone :

Triple liaison

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5

Application Donner la structure des molécules suivantes : -

azote N2

-

gaz carbonique

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C 6 -1/B

6

II -

C 6 -1/B

POLARITÉ DE LA LIAISON COVALENTE - MOLÉCULES POLAIRES 1-

MOLÉCULE POLAIRE - MOLÉCULE APOLAIRE Si l’on considère la molécule d’hydrogène H2 , le centre de gravité des 2 charges positives portées par les noyaux est confondu avec le centre de gravité des charges négatives des électrons autour de ceux-ci. Une telle molécule est dite apolaire. Il en est de même de la molécule de chlore Cl2 ou de méthane CH 4 . On constate dans certaines molécules que les centres de gravité des charges positives et négatives ne sont pas confondus. C’est le cas par exemple pour la molécule de gaz chlorhydrique HCl. La liaison de covalence chlore-hydrogène est, en effet, asymétrique. Le chlore attire préférentiellement vers lui les électrons du doublet de la liaison de covalence H — Cl. La molécule d’HCl, bien qu’électriquement neutre globalement, présente en conséquence une dissymétrie électrique : du côté de l’atome de chlore, il apparaît des charges négatives dues à la plus grande présence des électrons, du côté de l’atome d’hydrogène au contraire, on constate la présence de charges positives dues à l’éloignement des électrons. Il s’agit là d’une liaison de covalence polarisée. On dit que cette molécule est polaire (elle a un pôle + et un pôle –).

ou

H : Cl + – H δ — Clδ

doublet d’électrons est préférentiellement du côté de l’atome de chlore, donc molécule polaire

δ+ et δ– représentent des charges électriques partielles positives et négatives. Une molécule polaire crée dans son voisinage un champ électrique plus ou moins intense, ce qui lui confère des propriétés physiques et chimiques particulières.

2-

POLARITÉ D’UNE LIAISON COVALENTE - ÉCHELLE D’ÉLECTRONÉGATIVITÉ DES ÉLÉMENTS La polarité des liaisons covalentes dépend de la nature des différents éléments entrant dans la liaison covalente. Certains éléments attirent facilement les électrons : ils sont électronégatifs ; d’autres repoussent les électrons : ils sont électropositifs. PAULING a défini une échelle d’électronégativité des éléments fondée sur le fait que l’énergie dégagée par la combinaison de deux éléments est d’autant plus grande que leur différence d’électronégativité est plus grande. L’élément le plus électronégatif est le fluor, auquel on affecte arbitrairement une valeur d’électronégativité de 4. Le césium est le moins électronégatif ou le plus électropositif dans cette échelle, la valeur de son électronégativité est de 0,7. Les autres éléments sont classés par ordre d’électronégativité dans le tableau ci-après. Leur position dans la classification périodique est respectée dans ce classement. Le plus électropositif est situé en bas de la 1ère colonne (Cs : Césium), le plus électronégatif en haut de la 7ème colonne (F : Fluor). Les gaz rares n’apparaissent pas, car ils ne réagissent pas chimiquement.

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7

C 6 -1/B

TABLEAU D’ÉLECTRONÉGATIVITÉ DES ÉLÉMENTS

0

1

2

3

4

H 2.1 Li 1.0

Al 1.5

Mg 1.2

Na 0.9 K 0.8

Be 1.5

As 2.0 Sb 1.8

D CH 2039 A

N 3.0

C 2.5 P 2.1

Si 1.8

Ca 1.0

Rb 0.8 Cs 0.7

B 2.0

S 2.5 Se 2.4

Te 2.1

O 3.5

F 4.0

Cl 3.0 Br 2.8

I 2.4

Ba 0.9

ÉLECTRONÉGATIVITÉ

Le plus électropositif

Le plus électronégatif

Les pointillés rejoignent des éléments qui sont situés dans une même colonne du tableau périodique. L’examen de ce tableau montre bien que la liaison covalente dans H — Cl est polarisée (H : 2,1 Cl : 3,0).

3-

EXEMPLE DE MOLÉCULE POLAIRE : L’EAU Les deux liaisons O — H de la molécule d’eau H2O sont polarisées. En effet, la forte électronégativité de l’oxygène (H : 2,1 et O : 3,5) attire le doublet de la liaison et crée une dissymétrie électrique. Cela, joint à la forme triangulaire de la molécule, confère à la molécule d’eau un caractère polaire très marqué.

H δ+

H δ+

D CH 2047 A

2 δO

Cette dissymétrie électrique est la cause de nombreuses propriétés de l’eau. Ainsi, en phase liquide, les molécules s’associent fortement entre elles. Le côté négatif de l’une attire le côté positif d’une autre et ainsi de suite.

H O

O

H

O H

H

H O H

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D CH 2048 A

H

H

8

C 6 -1/B

De ce fait les propriétés physiques de l’eau liquide présentent des anomalies : valeur élevée de la température d’ébullition sous la pression normale (+ 100°C) comparée à celle du méthane (– 161,5°C) pour une masse molaire voisine, très forte chaleur de vaporisation indiquant de fortes interactions en phase liquide. Parallèlement, l’eau est un très bon solvant des composés ioniques alors qu’elle dissout plutôt mal les composés apolaires (forte solubilité du chlorure de sodium, faibles solubilités du méthane, de l’hydrogène, du chlore dans l’eau). On dit de ce fait que l’eau est un solvant polaire. Application Montrer que l’ammoniac liquide est un solvant polaire.

Montrer que les molécules d’alcool éthylique et de MTBE sont polaires.

CH3

CH2

O

H

CH3

C CH3

Alcool éthylique

O

CH3

D CH 1687 A

CH3

MTBE

Nota Ammoniac, alcools, éthers (MTBE, ETBE) sont des liquides polaires et ont donc une grande affinité pour l’eau. Cela justifie : -

l’utilisation de rideau d’eau, voire de pulvérisation d’eau sur une fuite d’ammoniac gazeux pour l’absorber

- l’utilisation d’émulseurs polyvalents dans les mousses (eau + émulseur + air) utilisée pour lutter contre l’incendie de liquides polaires En effet la mousse générée avec des émulseurs classiques, rapidement détruite par les liquides polaires, perd toute efficacité.

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9

C 6 -1/B

III - LA LIAISON IONIQUE 1-

EXEMPLE DE LIAISON IONIQUE La grande stabilité du chlorure de sodium solide (sel ordinaire), laisse à penser que les atomes de Na et de Cl sont unis fortement par une liaison chimique stable. Si on examine la place de ces deux éléments dans la classification périodique, on en déduit leur structure électronique :

Na

D CH 021 A

Cl

La couche périphérique de l’atome de sodium renferme 1 électron ; il possède donc un électron de trop pour que soit obtenue la structure du gaz rare voisin le Néon. On sait que d’autre part le sodium est très électropositif (Na : 0,9 selon l’échelle de Pauling) et qu’il repousse fortement de ce fait les charges électriques négatives. Il manque 1 électron au chlore pour obtenir la structure de l’argon, son électronégativité est de plus très marquée (Cl : 3,0). Dans les deux cas, la structure du gaz rare peut facilement être acquise par ces deux atomes. Il suffit que l’atome de chlore arrache un électron à l’atome de sodium. Le chlore a alors la structure à 18 électrons de l’argon ; le sodium celle à 10 électrons du Néon. 1eNa

D CH 021 B

Cl

Dans cette opération, les noyaux des atomes n’ont pas été affectés. Le noyau du sodium possède 11 protons et maintenant il est seulement entouré de 10 électrons. L’ensemble possède une charge positive excédentaire. C’est l’ion Na+ (ion sodium). Le chlore avec ses 17 protons et ses 18 électrons a une charge excédentaire négative. C’est l’ion Cl– (ion chlorure).

Cl

D CH 022 A

Na

Na+ ion sodium

Clion chlorure

11 protons 10 électrons

17 protons 18 électrons

Ces deux particules ne sont plus des atomes de sodium ou de chlore, leurs propriétés ont changé, ces ions sont plus stables que les atomes. 02153_A_F

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2-

C 6 -1/B

LES DIFFÉRENTS IONS : ANIONS - CATIONS D’une manière générale, on appelle ion tout atome ou groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. L’ionisation constitue pour des atomes un autre moyen que la liaison covalente pour acquérir une stabilité maximale.

H

D CH 023 A

Le plus simple des ions est le proton qui résulte du départ de l’électron de l’atome d’hydrogène, on le désigne par H+ H

H Atome d'hydrogène

H+ proton

Il existe deux sortes d’ions : - les cations sont des ions positifs résultant d’une perte d’électrons - les anions sont des ions négatifs formés par gain d’électrons On trouve ci-dessous un tableau dans lequel figurent les anions et les cations les plus souvent rencontrés.

ANIONS

CATIONS

Nom

Formule

Nom

ion fluorure ion chlorure ion hydroxyde ion sulfate ion nitrate ion carbonate ion bicarbonate ion sulfure

F– C l– OH – SO42– NO 3– CO 32– HCO3 – S2–

ion hydrogène ion sodium ion potassium ion calcium ion aluminium ion ferreux ion ferrique ion cuivrique ion ammonium

Formule H+ Na + K+ Ca 2+ Al3+ Fe 2+ Fe 3+ Cu 2+ NH4+

Dans l’ionisation, les ions sont fournis par perte ou par gain d’électrons. Ainsi, un élément électropositif cède facilement un ou plusieurs électrons et se transforme en un ion positif. Réciproquement, un élément électronégatif capte aisément un ou plusieurs électrons pour se transformer en ion négatif. La plupart des cations viennent d’atomes métalliques. Ces atomes en effet, perdent facilement leurs électrons (ils sont électropositifs selon la classification de Pauling). Ceci explique l’origine du courant électrique. Le courant électrique est, en effet, dû à un déplacement d’électrons. Les électrons périphériques des atomes métalliques passent très facilement d’un atome à un autre. On les appelle électrons libres. Cette propriété caractéristique explique pourquoi les métaux sont de bons conducteurs de l’électricité.

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11

3-

C 6 -1/B

STRUCTURES IONIQUES

D CH 024 A

Dans les composés ioniques à l’état solide les ions portant des charges électriques de signe contraire s’attirent. Ils forment un composé ionique cristallisé dans lequel les ions ne peuvent se mouvoir. Ainsi, à l’état solide, le cristal de chlorure de sodium est réalisé par un empilage compact et ordonné d’ions Na + et Cl– comme figuré ci-après.

Les centres des ions sont disposés régulièrement :

Na + CL -

Un tel cristal forme un ensemble très solide : il est maintenu par des forces électriques nombreuses. L’ordre ne pourra être détruit que très difficilement : la température de fusion du chlorure de sodium est voisine de 800°C. À l’état fondu, l’agitation des ions est suffisante pour que l’ordre ait disparu : les ions sont alors en mouvement et il n’existe aucune liaison entre eux. Il n’y a plus que des ions Na + et Cl– en nombres égaux et en désordre.

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12

C 6 -1/B

IV - RUPTURE DES LIAISONS CHIMIQUES Lors de réactions chimiques ou de réactions de dissolution, les liaisons chimiques précédemment décrites peuvent être rangées de différentes manières : -

1-

rupture de la liaison ionique par éloignement des ions d’un sel rupture dissymétrique de la liaison covalente produisant des ions rupture symétrique de liaisons covalentes donnant des radicaux “libres”

SOLUTION AQUEUSE - IONISATION Si l’on verse du chlorure de sodium dans de l’eau, il se dissout. On sait que la molécule d’eau est caractérisée par sa dissymétrie électrique (solvant polaire). En présence d’eau les ions Na+ du cristal attirent immédiatement les molécules d’eau par leur côté négatif, les ions Cl– attirent les molécules d’eau par leur côté positif. Ces dernières entourent les ions du cristal ce qui a pour effet d’éloigner les ions Na+ et Cl– et de réduire les forces d’attraction qui s’exerçaient à l’intérieur du solide ionique ; le cristal se disloque : il s dissout dans l’eau. Dans la solution aqueuse, les ions Na+ et Cl– restent entourés par des molécules d’eau ; ils sont hydratés. Une solution aqueuse de chlorure de sodium renferme donc à l’état désordonné : des ions Na + et Cl– hydratés en nombres égaux et des molécules d’eau. On sait que le gaz chlorhydrique HCl dont la molécule présente une liaison covalente polarisée, est très soluble dans l’eau. Cette dissolution s’accompagne d’un fort dégagement de chaleur, ce qui laisse à pense qu’il se produit une véritable réaction chimique entre l’eau et HCl. La solution chlorhydrique obtenue possède des propriétés très différentes du gaz chlorhydrique ; en particulier elle présente des propriétés acides que se manifeste par HCl gazeux. On peut interpréter ces faits de la façon suivante : sous l’action des molécules d’eau la molécule d’HCl a été brisée de façon dissymétrique. L’atome de chlore qui gagne un électron devient l’ion chlorure Cl– ; l’hydrogène qui a perdu son électron devient l’ion H+.

H

Cl

+

H

D CH 025 A

Cl

HCl Gaz chlorhydrique

Cl Ion chlorure

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+ H Ion proton

13

C 6 -1/B

Le mécanisme de cette dissociation est le suivant : une molécule d’eau arrache par son côté négatif à une molécule d’HCl son proton H +. En fait, le proton H+ se combine à l’un des doublets libres de l’atome d’oxygène de la molécule d’eau pour donner un ion H3O+ et il reste un ion Cl–. H H

+

O

Molécule d'eau

H

Cl

Molécule d'HCI dans l'eau

BASE (accepteur de proton)

+

H

O

Ion chlorure Cl

Ion hydronium + H 3O

ACIDE (donneur de proton)

Cl

D CH 026 B

H

H

Solution d'acide chlorhydrique

La solution aqueuse d’acide chlorhydrique contient donc en solution deux sortes d’ions H3 O+ et Cl– en désordre dans le liquide et isolés les uns des autres par des molécules d’eau. L’eau a ainsi dissocié la molécule d’HCl, il s’agit d’une véritable réaction chimique qui a donné naissance à des ions : on dit qu’un tel solvant est un solvant ionisant.

2-

DISSOCIATION IONIQUE DE L’EAU LIQUIDE Il arrive qu’au cours d’un choc entre deux molécules d’eau en phase liquide, il se forme des ions : l’une des molécules peut arracher à l’autre un proton H+. Les deux espèces résultantes ne sont plus neutres électriquement, ce sont des ions H3O+ et OH– . H

H

+

O

H

H

H

O

H

+

O

H

D CH 027 B

O

H

Molécule d'eau se comportant comme une base (fixe un proton)

Molécule d'eau se comportant comme un acide (cède un proton)

Ion hydronium + H 3O

Ion hydroxyde OH

Cette ionisation de l’eau est très faible. En effet, à 25°C il y a en moyenne un ion H3O+ et un ion OH– pour 55,5 × 107 molécules d’eau. Ce phénomène est toutefois très important ; il est à la base de toute la chimie des solutions.

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3-

C 6 -1/B

RADICAUX Dans certaines réactions chimiques comme les réactions de combustion, les molécules sont dissociées par rupture symétrique d’une liaison chimique covalente.

O

O

+

O

Radical O•

Molécule d'oxygène

D CH 018 A

Exemple de rupture de molécules

O

Radical O•

Chaque atome est séparé et reprend les électrons qu’il avait mis en commun avec l’autre atome. Autre exemple

H

H

H

H

C

C

H

+

H

D CH 028 C

H

H

Molécule de méthane CH4

Radical méthane Radical hydrogène CH•3

H•

La conséquence de cette rupture est la production d’atomes ou de molécules possédant un électron seul ou “célibataire”. Ces atomes ou molécules sont appelés RADICAUX. On les note avec un point • indiquant l’existence de l’électron célibataire. •

CH3 , H• , O •

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15

C 6 -1/B

Ces radicaux sont extrêmement instables et ont donc une durée de vie très brève. Ils sont néanmoins observables dans certaines réactions. Les radicaux peuvent être produits par divers phénomènes tels que : -

molécules instables température élevée rayons lumineux ou ultraviolets

Les réactions chimiques où ils interviennent sont dites des réactions radicalaires. Ces réactions radicalaires permettent d’expliquer : - les phénomènes de combustion - l’utilisation, comme moyens de lutte contre l’incendie, de poudre ou d’agents inhibiteurs gazeux : • C 3 F 7 H (nom commercial : FM 200) • CHF 3 (nom commercial : FE 13) • C 4 F 10 (nom commercial : CEA 410) - le principe de fonctionnement du matériel antidéflagrant (l’un des matériels électriques agréés pour l’atmosphère explosive : ATEX)

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I

C6

PRINCIPAUX CONSTITUANTS DES PRODUITS PÉTROLIERS

- COMPOSITION DES PÉTROLES BRUTS ............................................................................... 1

II - LES HYDROCARBURES .......................................................................................................... 2 1 - Familles d’hydrocarbures ...................................................................................................................2 2 - Les hydrocarbures saturés en chaînes, ou paraffines ........................................................................4 3 - Les hydrocarbures saturés comportant des cycles, ou naphtènes .................................................... 6 4 - Les hydrocarbures non saturés comportant des cycles benzéniques : les aromatiques ................... 8 5 - Les hydrocarbures non saturés comportant des doubles liaisons ou oléfines ................................. 11 6 - Composition des coupes pétrolières.................................................................................................12

III -

LES COMPOSÉS SULFURÉS ................................................................................................ 13 1 - L’hydrogène sulfuré H2S .................................................................................................................. 13 2 - Les mercaptans ................................................................................................................................ 13 3 - Les sulfures ...................................................................................................................................... 14 4 - Les composés thiocycliques .............................................................................................................14

IV -

COMPOSÉS OXYGÉNÉS, AZOTÉS ET ORGANOMÉTALLIQUES....................................... 15 PLANCHES Planche 1 : Planche 2 : Planche 3 : Planche 4 : Planche 5 : Planche 6 : Planche 7 : Planche 8 :

Les principales familles d’hydrocarbures Les hydrocarbures - Les n-paraffines Les hydrocarbures - Les isoparaffines Longueur des chaînes carbonées et intervalles de température d’ébullition des hydrocarbures composant les principaux produits pétroliers Les hydrocarbures : Les naphtènes Les hydrocarbures - Les aromatiques Les hydrocarbures - Les oléfines et dioléfines Propriétés de quelques composés sulfurés

BA CHO - 00002_E_F - Rév. 11

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05/04/2006

-2

C 6 -2

1

I-

COMPOSITION DES PÉTROLES BRUTS Les gaz naturels, les pétroles bruts, les coupes pétrolières, contiennent une très grande variété de composés chimiques qui sont constitués de deux éléments principaux : le carbone et l’hydrogène. On trouve également au sein de certains de ces composés d’autres éléments qui sont souvent considérés comme des impuretés : il s’agit du soufre, de l’azote, de l’oxygène et de certains métaux comme le Nickel et le Vanadium. Le tableau ci-après donne les valeurs habituellement observées pour la composition globale des pétroles bruts.

CARBONE HYDROGÈNE

84 à 87 % en masse 11 à 14 % en masse

SOUFRE OXYGÈNE AZOTE

0,04 à 6 % en masse 0,1 à 0,5 % en masse 0,1 à 1,5 % en masse

MÉTAUX

0,005 à 0,015 % en masse soit 50 à 150 g/t

Le Vanadium représente habituellement plus de 75 % de la teneur en métaux. Les pétroles bruts contiennent aussi des éléments étrangers non organiques comme l’eau, les sédiments, les sels minéraux.

Eau et Sédiments Sels minéraux

0,1 à 0,6 % volume 20 à 200 g/t

La classification habituellement adoptée pour distinguer les composés très variés présents dans les pétroles bruts est la suivante : -

les hydrocarbures sont constitués uniquement de carbone et d’hydrogène

-

les composés sulfurés, azotés, oxygénés contiennent du carbone, de l’hydrogène, et selon le cas du soufre, de l’azote et de l’oxygène Ils peuvent être également considérés comme des hydrocarbures renfermant des impuretés. De même les métaux éventuellement présents se trouvent combinés dans des composés complexes contenant carbone, hydrogène, soufre, azote, …

Au sein de chacune de ces deux classes, l’extrême facilité que possède l’atome de carbone de s’associer avec d’autres atomes conduit à une très grande diversité de composés chimiques que l’on peut toutefois regrouper dans des familles possédant des propriétés caractéristiques. Certaines de ces propriétés sont en relation avec l’utilisation des produits pétroliers et ont donc une incidence directe sur les traitements de raffinage.

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2

II -

LES HYDROCARBURES 1-

FAMILLES D’HYDROCARBURES La variété des hydrocarbures est due essentiellement à la capacité des atomes de carbone de s’assembler en de longues chaînes ce qui permet des combinaisons extrêmement diverses. L’assemblage des atomes de carbone associés à des atomes d’hydrogène se fait toutefois selon des règles bien précises : l’atome de CARBONE est tétravalent (valence = 4) ce qui signifie qu’il établit obligatoirement au sein des molécules quatre liaisons avec d’autres atomes. La représentation symbolique adoptée est la suivante dans le cas où il s’agit des 4 LIAISONS SIMPLES établies avec d’autres atomes.

ATOME de CARBONE tétravalent

C

D CH 118 A

•

Il peut s’agir également de DOUBLES LIAISONS établies avec un autre atome de carbone.

C

C

D CH 119 A

Double liaison carbone-carbone ou de TRIPLES LIAISONS Triple liaison carbone carbone

D CH 120 A

C C

Il existe également une structure particulière très répandue dans les hydrocarbures appelée cycle benzénique ou aromatique dans laquelle 6 atomes de carbone formant un cycle sont liés par l’équivalent de 3 liaisons simples et 3 liaisons doubles carbone-carbone.

C C

C

C C

l’atome d’hydrogène est monovalent (valence = 1). Il établit donc une seule liaison avec d’autres atomes. Cela lui permet de se combiner avec le carbone dans les hydrocarbures à raison d’un atome d’hydrogène par liaison laissée libre par les assemblages carbone-carbone.

ATOME D'HYDROGÈNE monovalent

H

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D CH 122 A

•

C

D CH 121 A

CYCLE BENZENIQUE ou AROMATIQUE

C 6 -2

3

La présence ou non de doubles ou triples liaisons fait apparaître un premier élément de différenciation des familles d’hydrocarbures. On distingue en effet (EN PLANCHE 1) : •

LES FAMILLES D’HYDROCARBURES SATURéS dans lesquelles il n’y a ni doubles, ni triples liaisons, ni cycles benzéniques. Toutes les liaisons carbone-carbone sont simples et l’hydrogène sature toutes les autres. On trouve dans cette catégorie les hydrocarbures paraffiniques ou paraffines et les hydrocarbures naphténiques ou naphtènes.

Hydrocarbures SATURÉS

•

Pas de doubles ou triples liaisons

PARAFFINES (alcanes)

Toutes les liaisons sont saturées par l’hydrogène

NAPHTÈNES (cycloalcanes)

LES FAMILLES D’HYDROCARBURES INSATURéS dans lesquelles les composés comportent des doubles ou triples liaisons ou des cycles benzéniques. Les deux familles les plus importantes qui figurent ici sont les hydrocarbures aromatiques et les hydrocarbures oléfiniques ou oléfines. Les acétyléniques qui comportent des triples liaisons et qui sont rarement présents dans les produits pétroliers appartiennent également à cette catégorie.

Hydrocarbures INSATURÉS

Présence de doubles ou triples liaisons Toutes les liaisons ne sont pas saturées par l’hydrogène

AROMATIQUES OLéFINIQUES (alcènes) ACéTYLéNIQUES (alcynes)

La distinction entre hydrocarbures saturés et insaturés se justifie par le fait que l’insaturation qui apparaît comme un déficit d’hydrogène donne la possibilité de combinaisons chimiques mettant en œuvre les liaisons chimiques non utilisées. Il en résulte une réactivité particulière très intéressante par exemple en pétrochimie et chimie mais qui, par contre, peut être très gênante dans le cas de certains produits pétroliers (stabilité, résistance à l’oxydation). Au contraire, les hydrocarbures saturés sont réputés pour leur très faible réactivité chimique ce qui leur confère une très bonne stabilité face à l’oxygène en particulier. Ce premier classement étant effectué, il est possible d’analyser succinctement les principales caractéristiques des familles d’hydrocarbures. Les planches données en annexe présentent la structure et les propriétés de plusieurs composés appartenant à ces différentes familles.

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4

2-

LES HYDROCARBURES SATURÉS EN CHAÎNES OU PARAFFINES Les molécules de ces hydrocarbures sont constituées de chaînes d’atomes de carbone saturés par de l’hydrogène. On distingue : -

les paraffines normales ou n-paraffines dans lesquelles les atomes de carbone forment des chaînes linéaires (droites).

-

les isoparaffines ou paraffines ramifiées dans lesquelles les atomes de carbone forment des chaînes branchées.

Les paraffines, qu’elles soient normales ou iso, sont largement représentées dans les gaz naturels, les pétroles bruts et les produits pétroliers commerciaux. La structure de la chaîne des atomes de carbone leur confère toutefois des propriétés assez différentes. a - Les n-paraffines La PLANCHE 2 donne les formules et les constantes physiques de quelques paraffines normales. La première d’entre elles est le méthane CH4 qui est le constituant essentiel du gaz naturel. Les chaînes des n-paraffines peuvent être très longues et dépasser 50 atomes de carbone. Les pétroles bruts contiennent ainsi toute une gamme d’hydrocarbures paraffiniques allant de CH4 à C 50H102 et plus. Prises individuellement, les n-paraffines sont dans les conditions ambiantes, à l’état gazeux, quand la chaîne des atomes de carbone contient 4 atomes au plus (C1 à C4) ; elles sont à l’état liquide de C5 à C16 et à l’état solide au-delà. Ce dernier point est important car même si la présence des autres hydrocarbures retarde leur solidification, les n-paraffines sont les principales responsables des problèmes de tenue au froid des produits pétroliers. L’étagement des volatilités des n-paraffines, traduit par les températures d’ébullition, est en relation avec les longueurs des chaînes comme le montre la PLANCHE 4 qui précise, pour chaque produit pétrolier, l’intervalle des températures d’ébullition et donc les longueurs des chaînes des hydrocarbures correspondants. Il faut remarquer également que les n-paraffines se caractérisent par de très faibles densités à l’état liquide à 15°C : 0,631 pour le nC5, 0,792 pour le nC20. Il est possible enfin de définir une formule générale pour les hydrocarbures de cette famille en remarquant qu’une paraffine contenant n atomes de carbone renferme 2 n + 2 atomes d’hydrogène ce qui conduit à la formule globale suivante :

Formule générale des paraffines

Cn H2n+2

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5

Parallèlement la nomenclature des n-paraffines utilise la terminaison - ane précédée d’un préfixe qui indique le nombre d’atomes de carbone de la chaîne droite. Nombre d’atomes de carbone

1

2

3

4

5

6

7

8

préfixe

meth.

eth.

prop.

but.

pent.

hex.

hept.

oct.

b - Les isoparaffines (PLANCHE 3) Les structures branchées apparaissent pour les paraffines à partir de chaînes à 4 atomes de carbone C 4H 10. Il existe en effet 2 composés paraffiniques répondant à cette formule. BUTANE

C4H10

n-paraffine

isoparaffine

n-butane

isobutane H

H H

H

H

H

C C C C H

H

H

H H

H

C C C H

H

H

H

C

H

H

H

teb = - 0,5°C

teb = - 11,7°C

d15 = 0,585

d15 = 0,573

D CH 124 A

H

On voit donc que le changement de structure confère à l’isoparaffine des propriétés physiques différentes de celles de la n-paraffine. Les isoparaffines que l’on peut, pour simplifier, dénommer en utilisant l’appellation de la n-paraffine correspondante précédée du préfixe ISO deviennent de plus en plus nombreuses au fur et à mesure que la chaîne hydrocarbonée s’allonge. nombre d’isoparaffines en C5 : 2 en C8 : 7 en C20 : 366310

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6

Les propriétés des isoparaffines restent assez voisines de celles des n-paraffines pour ce qui concerne la densité et la température d'ébullition. Elles diffèrent toutefois pour deux caractéristiques essentielles : le comportement à la combustion dans un moteur essence ou diesel et la tenue au froid. Sur ce dernier point en particulier, les isoparaffines restent généralement à l’état liquide à température beaucoup plus basse que les nparaffines.

3

- LES HYDROCARBURES SATURÉS COMPORTANT DES CYCLES OU NAPHTÈNES OU HYDROCARBURES NAPHTÉNIQUES (PLANCHE 5) Il s’agit là aussi d’une famille d’hydrocarbures largement représentée dans les pétroles bruts et les produits pétroliers puisqu’on parle par exemple de brut naphténique ou d’huile naphténique. Les hydrocarbures naphténiques se caractérisent par la présence dans leur molécule de cycles saturés qui comportent le plus souvent 5 ou 6 atomes de carbone. Hydrocarbures naphténiques

présence de cycles saturés à 5 ou 6 atomes de carbone

Les premiers éléments marquants de cette famille sont donc des hydrocarbures à 5 (cyclopentane) ou à 6 atomes de carbone en cycle (cyclohexane).

Cyclopentane

Cyclohexane H

H H H

C C C C C H

H

C

H H

H H

H H

H

H

C

C

C

C

H

H

C

H H H H

H

C5H10

C6H12

teb = 49,3°C

teb = 80,7°C

d15 = 0,750

d15 = 0,783

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D CH 125 A

H

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7

On trouve ensuite toute une filiation d’hydrocarbures naphténiques qui dérivent des deux précédents : -

par remplacement d’atomes d’hydrogène par des chaînes latérales 10

C

C C

C

C

C C

C

C

C C

Éthylcyclopentane

Decylcyclohexane

C 7H 14

C 16H32

t eb = 103,5°C

t eb = 297,3°C

d15 = 0,771

d15 = 0,822

par accolement de cycles saturés

C C

C C

C

Décaline

C

C C

-

C

C C

-

…C

C 10H18 t eb = 196°C

C C

d15 = 0,899

à la fois par la présence de chaîne latérale et accolement de cycle

C8 C C C C

C

C

C

C

C

C C

C

C C C

C

C C

Naphtène tétracyclique en C25 C 25H44

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Comparés aux paraffines les hydrocarbures naphténiques possèdent les propriétés suivantes : -

températures d’ébullition un peu plus élevée à même nombre d’atomes de carbone densité plus élevée meilleure tenue au froid teneur en hydrogène plus faible (moins d’atomes d’hydrogène pour un même nombre d’atomes de carbone).

4 - LES HYDROCARBURES NON SATURÉS COMPORTANT DES CYCLES BENZÉNIQUES : LES AROMATIQUES (PLANCHE 6) Les aromatiques constituent la troisième grande famille d’hydrocarbures présents dans les pétroles bruts. Ces composés dérivent du benzène C6H6 dont la molécule cyclique est constituée de 6 atomes de carbone reliés apparemment par des liaisons simples et doubles.

Benzène

H

C C

C

C6H6

H

teb = 80°C

C

C C

H

d15 = 0,884

H

D CH 126 A

H

H

En fait les 6 liaisons carbone-carbone sont équivalentes, et intermédiaires entre une liaison simple et une liaison double. C’est pourquoi on utilise souvent les représentations du cycle benzénique ou cycle aromatique ci-dessous.

Cycle aromatique

C C

C

C

C

ou D CH 127 A

C

Cette structure est extrêment solide et cyclique se caractérise par une très grande stabilité thermique et un comportement réfractaire au craquage. Les hydrocarbures aromatiques ont en commun de posséder au moins un cycle benzénique qui leur confère des propriétés particulières. Hydrocarbures aromatiques

→

présence d’un ou de plusieurs cycles benzéniques

À partir du benzène, la filiation des hydrocarbures aromatiques peut s’effectuer de plusieurs manières : 00002_E_F

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-

PAR SUBSTITUTION DES HYDROGÈNES DU BENZÈNE

Toluène

Éthylbenzène

CH3

CH2

CH3

C 7H 8

C 8H 10

t eb = 110,6°C

t eb = 136,2°C

d15 = 0, 871

d15 = 0,871

Xylènes CH 3

CH 3

CH 3

CH 3

CH 3 CH 3 Orthoxylène

Métaxylène

Paraxylène

C 8H 10

C 8H 10

C 8H 10

t eb = 144,4°C

t eb =139,1°C

t eb = 138,4°C

d15 = 0,884

d15 =0,868

d15 =0,865

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10

C 9H 12

-

12

Cumène

CH 3 — CH — CH 3

C

…C

Dodécylbenzène C 18H30

t eb = 152,4°C

t eb = 331°C

d15 = 0,866

d15 = 0,855

PAR JONCTION DES NOYAUX BENZÉNIQUES

Diphényle

C 12H10

t eb = 255°C d15 = 1,041

-

PAR ACCOLEMENT DE NOYAUX BENZÉNIQUES

Naphtalène

Anthracène

C 10H8

C 14H10

teb = 218°C

t eb = 342°C

d15 = 1,010

d15 = 1,25

Les aromatiques à nombre d’atomes de carbone élevé possèdent en général plusieurs noyaux benzéniques accolés ou non sur lesquels sont branchées des chaînes hydrocarbonées. Comparés aux hydrocarbures paraffiniques et naphténiques les hydrocarbures aromatiques se caractérisent par les propriétés suivantes : -

températures d’ébullition comparables aux naphténiques

-

densité très forte

-

teneur en hydrogène très faible (rapport C/H élevé). A la limite, de nombreux noyaux benzéniques condensés donnent un produit solide très riche en carbone couramment appelé coke

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11

Par ailleurs, très appréciés dans les carburants pour moteur à essence, les aromatiques sont au contraire très néfastes à la qualité des carburants pour moteurs Diesel et pour réacteurs d’avion. Il est à signaler que certains composés aromatiques sont d’une importance primordiale dans l’industrie pétrochimique : benzène, ortho et paraxylène, styrène, etc.

5 - LES HYDROCARBURES NON SATURÉS COMPORTANT DES DOUBLES LIAISONS LES HYDROCARBURES OLÉFINIQUES OU OLÉFINES (PLANCHE 7) Les hydrocarbures oléfiniques possèdent au moins une double liaison qui peut se trouver : -

dans une chaîne droite : oléfines normales dans une chaîne ramifiée : isooléfines dans un cycle : cyclooléfines

Par ailleurs, si ces hydrocarbures comportent une double liaison on parle de monooléfines, deux doubles liaisons dioléfines, etc. Leur nomenclature utilise en conséquence des terminaisons - ène

Oléfines Dioléfines

→

→

une double liaison

C

C

C

C

deux doubles liaisons

C

C

C

C

D CH 142 A

ou - diène précédées du préfixe indiquant le nombre d’atomes de carbone.

Ces hydrocarbures excessivement variés présentent la caractéristique de ne pas exister à l’état naturel dans les pétroles bruts et les gaz naturels. On en trouve par contre dans les produits pétroliers commerciaux car de nombreux traitements de raffinage sont générateurs d’hydrocarbures oléfiniques. Leurs caractéristiques de densité et de température d’ébullition sont assez voisines de celles des n-paraffines de longueur de chaîne équivalente. Elles en diffèrent toutefois sur plusieurs points importants, et en particulier sur les caractéristiques de résistance à l’oxydation qui sont plutôt médiocres pour les oléfines compte tenu de la réactivité chimique apportée par la présence des doubles liaisons. Il est à signaler enfin que les oléfines légères C2 à C5 sont d’une importance primordiale en pétrochimie dans la mesure où elles constituent la matière première d’élaboration de nombreuses matières plastiques. Grande importance industrielle des oléfines légères éthylène propylène butènes

→

Origine principale le vapocraquage en pétrochimie mais aussi le craquage catalytique en raffinage

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12

6-

COMPOSITION DES COUPES PÉTROLIÈRES Le schéma ci-dessous montre pour un brut particulier Américain (Ponca City, Oklahoma) la répartition des différentes familles d’hydrocarbures en fonction de la température d’ébullition des hydrocarbures constituant le brut.

Température d'ébullition (°C) 0

100

200

300

400

500

0

Aro

Composition % volume

mat

Aromatiques polycycliques

ique

sà un

cyc

le

Naphtènes à un cycle

50

Naphtènes polycycliques Isoparaffines

D CH 123 A

n-paraffines

100

C5

C7

C10

C14

C20

C40

Il fait apparaître qu’une coupe pétrolière donnée est un mélange d’hydrocarbures appartenant aux différentes familles. En conséquence les propriétés globales de cette coupe dépendent des proportions respectives des familles ; ce qui, selon les cas, se traduit par un caractère plutôt paraffinique, plutôt naphténique ou plutôt aromatique en fonction de la nature de la coupe et du brut d’origine. Les laboratoires sont amenés ainsi à déterminer le P.O.N.A. d’une coupe pétrolière c’est-à-dire les proportions respectives de paraffines (P), d’oléfines (O), de naphtènes (N) et d’aromatiques (A) présents dans la coupe analysée. On parle aussi dans certains cas, notamment en pétrochimie du P.I.A.N.O. d’une coupe “n-paraffines, isoparaffines, aromatiques, naphténiques, oléfiniques”. Ce type d’analyse est précieux dans la mesure où il permet de définir les traitements de raffinage à mettre en œuvre pour obtenir en final les qualités voulues pour les produits.

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13

III - LES COMPOSÉS SULFURÉS Le soufre, élément divalent – S – , est associé à l’hydrogène et au carbone dans 4 types de composés principaux : (PLANCHE 7) -

1-

l’hydrogène sulfuré les mercaptans les sulfures les composés thiocycliques (soufre dans un cycle)

L’HYDROGÈNE SULFURÉ H2S L’hydrogène sulfuré est absent des produits pétroliers mais on le trouve par contre en faible quantité dans les pétroles bruts et en proportions variables dans les gaz naturels : 0,3 % volume du gaz du champ de Zakum (Abu Dhabi), 15 % volume du gaz de Lacq. Il est également très présent en raffinerie car de nombreuses installations génèrent de l’H2S qui constitue une étape obligatoire dans les processus de désulfuration des produits.

Hydrogène sulfuré

H — S — H ou H2S t eb = – 60°C

Les raffineries sont donc amenées à véhiculer et à traiter de grandes quantités d’H2S et doivent appliquer des règles de sécurité extrêmement rigoureuses car il s’agit d’un gaz très toxique et dangereux. Parallèlement, il est corrosif, en particulier à froid en solution dans l’eau où il se dissocie en acide sulfhydrique.

2-

LES MERCAPTANS Les mercaptans dénommés thiols par les chimistes sont constitués du groupement fonctionnel –S–H associé à une chaîne hydrocarbonée que l’on représente par la lettre R.

Mercaptans

Formule générale

R—S—H

Les mercaptans sont présents dans la plupart des coupes pétrolières dans lesquelles ils apportent les inconvénients principaux suivants : -

ils sont acides ils sont malodorants

Il est donc nécessaire généralement de mettre en place des installations de raffinage dont le rôle est d’éliminer ces composés.

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14

3-

LES SULFURES Ce sont des composés dans lesquels les atomes de soufre sont reliés à deux chaînes hydrocarbonées. Le soufre devient donc un intermédiaire entre les deux chaînes et l’on distingue -

les sulfures dans lesquels il n’y a qu’un atome de soufre

Sulfures R — S — R’ -

les disulfures dans lesquels il y a deux atomes de soufre

Disulfures R — S — S — R’ -

les polysulfures qui contiennent plusieurs atomes de soufre

Polysulfures R — S — S

… S — R’

Ces composés existent dans les bruts et les produits pétroliers. Comparés aux mercaptans ils présentent l’avantage de n’être pas acides et donc non corrosifs, d’être peu odorants compte tenu de leur faible volatilité.

4-

LES COMPOSÉS THIOCYCLIQUES (contenant du soufre dans un cycle) Il s’agit là de la famille de composés soufrés la plus représentée dans les pétroles bruts et les produits pétroliers. Ces composés dérivent essentiellement du thiophène.

H

Thiophène

H

C C

C4H4S

C C S

teb = 84°C H

d15 = 1,070

D CH 128 A

H

et du benzothiophène H

H

H

H

C

C C

C

C C C S

Benzothiophène C8H6S teb = 220°C

H

d15 = 1,165

H

D CH 129 A

C

Ils présentent des propriétés qui se rapprochent de celles des hydrocarbures aromatiques : cycles insaturés, bonne stabilité thermique. Ils sont neutres et non corrosifs. L’objectif de désulfuration des produits pétroliers passe par la destruction de ces composés ce qui n’est pas chose facile en particulier pour les composés thiophéniques très lourds. 00002_E_F

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15

IV - COMPOSÉS OXYGÉNÉS, AZOTÉS ET ORGANOMÉTALLIQUES Les principaux autres composés présents dans les bruts ou les coupes pétrolières sont les suivants : composés oxygénés constitués de carbone, hydrogène, oxygène. Les plus courants sont les acides naphténiques, qui sont des acides organiques présents dans certains bruts, et les dérivés du phénol qui apparaissent notamment dans les installations de craquage. Composés oxygénés

naphténiques [ acidesphénols

Acides naphténiques

Phénols dérivés de

O R

C

Cycles naphténiques

Fonction acide organique

Présents dans kérosène, gazoles, distillat -

O H

O H

Présents dans produits craqués

D CH 130 A

-

composés azotés D’une façon générale la teneur en azote des bruts et des produits pétroliers est bien moindre que la teneur en soufre. Ces composés azotés, qui ont pour nom pyridine, pyrrole, indole, carbazole et dérivés de ces composés de base sont similaires aux composés thiophéniques en remplaçant bien entendu les atomes de soufre par des atomes d’azote.

C C

C

C

C

C

C

C

N

benzopyrrole C8 H7N teb 254°C

N dibenzopyrrole C12 H9N teb 355°C

D CH 131 A

Composés azotés

 pyridine  pyrrole  indole  etc.

Présents surtout dans les fractions lourdes, les composés azotés possèdent, pour certains d’entre eux, un caractère basique très marqué qui constitue un obstacle à la conversion catalytique des coupes lourdes. En outre, ils libèrent souvent par craquage de nouveaux composés azotés considérés comme responsables des problèmes d’instabilité (de couleur notamment) des produits pétroliers.

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16

-

composés organométalliques Les métaux (essentiellement Nickel et Vanadium) présents en faible quantité dans les bruts ou les coupes pétrolières sont contenus au sein de très grosses molécules renfermant en général tous les éléments déjà cités : carbone, hydrogène, soufre, azote, oxygène.

Composés organométalliques

asphaltènes

Ces très grosses molécules tendent en général à s’agglomérer pour donner des micelles appelés asphaltènes qui existent dans les pétroles bruts à l’état dispersé dans le milieu hydrocarbure. Ces asphaltènes restent concentrés dans les coupes pétrolières les plus lourdes, non distillables et constituent le principal obstacle aux opérations de conversion profonde des produits pétroliers.

Asphaltènes :

- composés mal définis, très lourds, riches en carbone - présents dans les résidus - caractère aromatique - riches en impuretés • soufre • oxygène • azote • métaux

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C

C

bonne

bonne

Stabilité

mauvaise

bonne

généralement assez bonne

faible

C

C

C

élevée

C

C

élevée

très bonne

Moteur diesel

C

C

Teneur en hydrogène ou rapport H/C

mauvaise

Moteur essence

C

mauvaise

C

C

Tenue au froid

C

ISOPARAFFINES

PARAFFINES NORMALES

CYCLOPARAFFINES

NAPHTÈNES

Molécules comprenant des — Cycles —

C

C C

C C

moyenne

C

C

bonne

moyenne

moyenne

moyenne

généralement bonne

C

C

— Exemple —

hydrocarbures présents dans le pétrole brut

chaînes ramifiées

PARAFFINES

chaînes droites

faible

C

HYDROCARBURES SATURÉS sans doubles liaisons

Atomes de carbone en — Chaînes —

Densité liquide

Combustion

C

C

élevée

C

C

C

C

très mauvaise

bonne

mauvaise

assez bonne

—

faible

C C C C C C C C C

moyenne

dioléfine

Oléfine

DIOLÉFINES

2 doubles liaisons

OLÉFINES

Atomes de carbone en — Chaînes — 1 double liaison

faible

très mauvaise

très bonne

généralement bonne

C

C

AROMATIQUES

Hydrocarbures comprenant des — Cycles benzèniques —

HYDROCARBURES INSATURÉS avec doubles liaisons

— Planche n°1 —

D CH 111 D

LES PRINCIPALES FAMILLES D'HYDROCARBURES

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C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

Éthane

Propane

Butane

Pentane

Hexane

Heptane

Octane

Nonane

C 20

C 30

Eicosane

Triacontane

Hexadécane C 16

C1

Méthane

Nombre de carbones

teb = + 151°C

C16H34

— Planche n°2 —

teb = + 450°C t fusion = +66°C

teb = + 344°C t fusion = +36°C C30H 62

C 20H42

teb = 287°C t fusion = + 18 °C

d15 = 0,722

d15 = 0,707

d15 = 0,688

teb = + 126°C

teb = + 98°C

C9H20

C8H18

C7H16

d15 = 0,664

d15 = 0,631

teb = + 69°C

teb = + 36°C

d15 = 0,585

d15 = 0,505

teb = - 0,5°C

C 6H14

C5H12

C4H10

teb = - 42°C

teb = - 89°C

teb = - 161,5°C

C3H8

C2H6

C H4

— alcanes linéaires —

N-PARAFFINES

SOLIDE

LIQUIDE

GAZ

État physique à 15°C - 1 ATM

C 6 -2

D CH 132 D

C 6 -2 LES ISOPARAFFINES — Planche n°3 —

— Alcanes ramifiéés —

C4

n-butane C 4H10 teb = -0,5°C

C5

isobutane C 4H10 teb = -11,7°C

2 isoparaffines en C 5 n-pentane C 5H12 teb = + 36 °C

C6

1 isoparaffine en C4

n-hexane C 6H14

isopentane C 5H12 teb = + 28 °C

néopentane C 5H12 teb = 9,4 °C

méthyl 2 pentane C 6H14

méthyl 3 pentane C 6H14

4 isoparaffines en C 6 (isohexanes)

3

diméthyl 2-3 butane C6H14

diméthyl 2-2 butane C6H14

n-octane C 8H18

isooctane C 8H18

C8 Etc...

17 isoparaffines en C8 (isooctanes)

isooctane C 8H18

n-eicosane C 20 H42 366310 isoparaffines en C 20

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D CH 133 A

C 20

C 6 -2 GAMMES D'HYDROCARBURES DANS LES PRODUITS PÉTROLIERS — Planche n°4 —

°C

GAZ + G.P.L.

- 200

- 100 C3 C4 C5 C6 C7 C8

BUTANE COMMERCIAL

NAPHTA POUR PÉTROCHIMIE

PRODUITS INTERMÉDIAIRES

GAZOLE MOTEUR FUEL-OIL DOMESTIQUE

CARBURÉACTEUR JET A1

C11

0

+ 100

+ 200

C14 + 300

C25

+ 400

C35

+ 500

C55

+ 600

D PCD 301 A

FUELS LOURDS

BITUMES

HUILES DE BASE

PARAFFINES

C20

CIRES

PRODUITS LOURDS

C2

PROPANE COMMERCIAL

SUPER CARBURANTS

ESSENCES

G.P.L. CARBURANT

Gamme des produits

C1

G.N.L.

Température d'ébullition et nombre d'atomes de carbone dans les hydrocarbures

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C 6 -2 NAPHTÈNES — Planche n°5 —

— Cycloalcanes — teb = 49°C d15 = 0,750

C5 cyclopentane C 5H10

teb = 71,8°C d15 = 0,754

C6 méthylcyclopentane C 6H12

teb = 80,7°C d15 = 0,783

cyclohexane C 6H12

teb = 100,9°C d15 = 0,774

teb = 103,4°C d15 = 0,771

C7 éthylcyclopentane C 7H14

méthylcyclohexane C 7H14

C10 décaline C 10 H18 teb = 187 °C

n-butylcyclohexane C 10H20 teb = 181 °C

naphtène en C 25 - C 25 H44

00002_E_F

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D CH 134 C

C 25

C 6 -2 AROMATIQUES

— Planche n°6 —

teb = 80°C d15 = 0,884

C6

t fusion = + 5,5°C Benzène C 6H6

teb = 110,6°C d15 = 0,871 t fusion = - 95,2°C

C7 Toluène C 7H8

C8 Orthoxylène C 8H10 teb = 144,5°C d20 = 0,880

Naphtalène C 10H8 t teb = 218°C d15 = 1,610 fusion = 80,4°C

Paraxylène C 8H10 teb = 138,1°C d20 = 0,861

Éthylbenzène C 8H10 teb = 136,2°C d20 = 0,867

n-butylbenzène C 10H14 teb = 183,3 °C d20 = 1,060

n-octylbenzène C 14H22 teb = 264 °C

C14 Anthracène C 14 H10 t fusion = 215°C teb = 340°C d25 = 1,250

00002_E_F

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D CH 135 C

C10

Métaxylène C 8H10 teb = 139,2°C d20 = 0,864

C 6 -2 OLÉFINES ET DIOLÉFINES

— alcènes et dialcènes —

C2

— Planche n°7 —

Éthylène C 2H4 teb = -103,7°C

C3

Propylène C 3H6 teb = -47,7°C

C4

Butène 1 C 4H8 teb = -6,3°C

Butène 2

C 4H 8

Isobutène

C 4H 8

teb = -6,8°C

Butadiène 1-3

C 4H 6

teb = -4,4°C

Pentène 2 C 5H10

C5 isoprène C 5H8

hexène 1 C 6H12 teb = 62,8°C Cyclohexène C 6H10

00002_E_F

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D CH 136 C

C6

Cyclopentène C 5H8 teb = 44,2°C

C 6 -2 PROPRIÉTÉS DE QUELQUES COMPOSÉS SULFURÉS — Planche n°8 — H 2S

HYDROGÈNE SULFURÉ

H

S

teb = - 60°C

H gazeux à la pression atmosphérique corrosif très toxique

MERCAPTANS

CH3SH

H

C

H

S

— Exemples —

méthyl mercaptan

teb = + 6°C

H

H

H

H

H

C

C

H

H

C2H5SH

S

H

éthyl mercaptan

teb = 35°C produits acides odeur très désagréable

SULFURES, DISULFURES H H

C

S

C

H

diméthyl sulfure

H

teb = 37°C

H

H H

C2H6S

H

C 2H 6S 2

H

C

S

S

C

H

H

diméthyl disulfure

H

teb = 109,6°C

produits non acides en général odeur non désagréable instables à la chaleur ; se décomposent en donnant des mercaptans SOUFRE DANS UN CYCLE

C4H4S

thiophène H

H

C

C

C

C

H

teb = 84°C H

S C8H6S

H

C H

C H

H

C

C

C

C S

teb = 220°C H

produits non acides

00002_E_F

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D CH 137 N

C

H

benzothiophène

C

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

LES ESSAIS NORMALISÉS DE CONTRÔLE ET DE QUALITÉ DES PRODUITS PÉTROLIERS

C6

-4/B

INTRODUCTION ................................................................................................................................. 1 I - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA VOLATILITÉ DES PRODUITS PÉTROLIERS .................. 3 Distillation ASTM..................................................................................................................................................... 4 Pression de vapeur ................................................................................................................................................ 6 Points d'éclair .......................................................................................................................................................... 8

II - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA COMBUSTION ................................................................ 11 Indices d'octane .................................................................................................................................................... 12 Indice de cétane.................................................................................................................................................... 18 Point de fumée...................................................................................................................................................... 22 Essais normalisés liés à la combustion des fuels ................................................................................................. 23

III - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS AU STOCKAGE ET À L’ÉCOULEMENT DES PRODUITS PÉTROLIERS .......................................................................................................................... 26 Mesure de la viscosité .......................................................................................................................................... 27 Pouvoir lubrifiant du gazole moteur ...................................................................................................................... 29 Essais normalisés liés à la tenue du froid ............................................................................................................. 30 Détermination des points de trouble et d'écoulement ........................................................................................... 32 Détermination de la température limite de filtrabilité............................................................................................. 33 Détermination du point de disparition des cristaux dans les carburéacteurs ........................................................ 34

IV - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE ET À LA CORROSION ............................................................................................................ 35 Corrosion à la lame de cuivre ............................................................................................................................... 37 Doctor test ............................................................................................................................................................ 39

V - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA STABILITÉ ET À LA NATURE CHIMIQUE ..................... 40 Teneur en gommes - Période d'induction ............................................................................................................. 40 Stabilité à l'oxydation des gazoles ........................................................................................................................ 41 Teneur en eau et sédiments ................................................................................................................................. 42 Teneur en asphaltènes ......................................................................................................................................... 43 Teneur en insolubles des combustibles liquides ................................................................................................... 45 Couleur - Stabilité de couleur ............................................................................................................................... 46

VI - TESTS SPÉCIFIQUES AUX PRODUITS BITUMINEUX......................................................... 47 Pénétrabilité de l'aiguille ....................................................................................................................................... 47 Point de ramollissement ....................................................................................................................................... 48

AN ENO - 00003_A_F - Rév. 19

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05/04/2006I

1

C 6 -4/B

INTRODUCTION Le mode d'utilisation des différents produits pétroliers exige que dans chaque cas ceux-ci possèdent certaines propriétés par exemple : -

brûler correctement dans un moteur pour un carburant, rester pompable à basse température pour un carburéacteur ou un GOM, ne pas être trop visqueux pour un fuel lourd, etc.

Le contrôle de ces propriétés est réalisé par des essais normalisés qui sont des méthodes de mesure et dont le mode opératoire a été normalisé par les grands organismes de normalisation qui sont : -

A.S.T.M. I.P. I.S.O. AFNOR CEN

American Society for Testing and Materials Institute of Petroleum Organisation Internationale de Standardisation Association Française de Normalisation Comité Européen de Normalisation

Ces essais normalisés correspondent soit à des mesures de propriétés physico-chimiques, soit à des essais de simulation dans lesquels on place le produit dans des conditions proches de celles de son utilisation. Les exigences de qualité pour les produits se traduisent alors par des spécifications portant sur les résultats des mesures obtenues par les essais normalisés. Il existe en France divers types de spécifications qui sont : Les spécifications douanières : Elles ne visent qu'à différencier les produits supportant des taxes différentes et éviter ainsi les fraudes. Les spécifications administratives : Arrêtées par le Direction des hydrocarbures au Journal Officiel, elles constituent le texte légal auquel on se réfère devant les tribunaux. Elles réalisent presque toujours un compromis entre les besoins de qualité EXIGÉE PAR L'UTILISATEUR ET LES POSSIBILITÉS DES RAFFINEURS. Les spécifications intersyndicales : Fixées par des circulaires de la Chambre Syndicale du Raffinage du Pétrole en collaboration avec la Direction des hydrocarbures, elles s'appliquent à certains produits, reprenant, complétant et aménageant les spécifications officielles au mieux de l'intérêt de l'utilisateur. Elles sont toujours plus sévères que les spécifications administratives. Les spécifications internes à un groupe pétrolier : Plus restrictive que les spécifications précédentes, elles tendent à assurer le maximum de satisfaction à la clientèle du groupe pétrolier considéré.

00003_A_F

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2

C 6 -4/B

Les essais normalisés qui permettent de contrôler la qualité des produits pétroliers peuvent être regroupés en plusieurs familles principales :

- essais liés à la volatilité - essais liés à la combustion - essais liés à l'écoulement, à la lubrification et au stockage - essais liés à la tenue au froid - essais liés à la pollution atmosphérique et à la corrosion - essais liés à la stabilité et à la nature chimique - tests spécifiques aux produits bitumineux

Comme les essais normalisés sont des mesures de laboratoire il est important d'en connaître la précision, c'est-à-dire la fourchette de valeurs admissibles pour chaque mesure. La répétabilité : La répétabilité d'un essai donne la fourchette normale des valeurs obtenues par un même opérateur travaillant dans un même laboratoire avec le même matériel et sur le même produit. Par exemple : mais

6°C pour un point d'éclair P.M. supérieur à 105°C 0,35 % pour une viscosité d'huile propre 2 % pour une viscosité de fuel lourd

La reproductibilité : La reproductibilité d'un essai donne la fourchette normale des valeurs obtenues par des opérateurs différents travaillant dans des laboratoires mais faisant la même mesure sur le même produit. Par exemple : mais

8°C pour un point d'éclair P.M. supérieur à 105°C 0,70 % pour une viscosité d'huile propre 7 % pour une viscosité de fuel lourd.

00003_A_F

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3

C 6 -4/B

I - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA VOLATILITÉ DES PRODUITS PÉTROLIERS

Chaque produit pétrolier répond à un intervalle de volatilité imposé le plus souvent par ses conditions d'utilisation. Les essais normalisés dont le but est de contrôler la volatilité d'un produit pétrolier ont donc les objectifs suivants : -

caractériser globalement la volatilité d'un produit comme c'est le cas pour la distillation ASTM

-

caractériser les teneurs en constituants légers et lourds par rapport à l'intervalle visé et cela pour les limiter

températures d'ébullition (°C)

limitation en légers

Tension de vapeur Point d'éclair

limitation en lourds

Point final ASTM Résidu ASTM ...

limitation en "lourds"

limitation en "légers"

D PPC 105 A

Intervalle de volatilité correspondant à l'utilisation

Les essais normalisés de contrôle de la volatilité présentés ci-après sont limités aux plus importants d’entre eux : - essais normalisés dans lesquels on repère les températures de vaporisation du produit : Distillation ASTM (NF EN ISO 3405 : 2000 ou ASTM D86) -

essais normalisés dans lesquels on mesure l'aptitude à l'émission de vapeurs par le produit : pression de vapeur des carburants (NF EN 13016 - 1 : 2000), points d'éclair (plusieurs normes)...

00003_A_F

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4

C 6 -4/B

DISTILLATION ASTM — Norme NF EN ISO 3405 : 2000 équivalente à la norme ASTM D 86 —

Cet essai normalisé s'applique à tous les principaux produits pétroliers sauf aux gaz de pétrole liquéfiés et aux bitumes fluxés. Il consiste à distiller 100 ml de produits dans des conditions normalisées et à relever les températures correspondant aux volumes de distillats évaporés ou recueillis. L'appareillage correspondant à l'essai manuel conforme à la norme est représenté sur le schéma ci-dessous. Thermomètre

Ballon (125 cm3 utiles) Tube métallique

Échantillon à tester (100 cm3 )

Condenseur eau + glace pilée ou eau

Plaque support 100 cm 3

Grille

80

Éprouvette de recette graduée

40 20

D ANA 066 A

60

On effectue le tracé de la courbe de distillation ASTM en portant sur un graphique les températures notées en fonction des volumes distillés. Température

Point final

M.

S.T.

till

e dis

ed ourb

A. ation

C

Point initial

10

20

30 40 50

60

70

80 90 100

% Volume distillé 00003_A_F

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D ANA 067 A

Résidu

Pertes

5

C 6 -4/B

On s'intéresse généralement à des températures particulières dont les définitions sont rappelées cidessous : -

température de point initial (PI)

qui correspond à l'apparition de la première goutte de liquide

-

température de point final (PF)

qui est la température maximale relevée au cours de l'essai

La distillation ASTM d'un produit pétrolier correspond à sa vaporisation sous la pression atmosphérique. Les températures obtenues dans l'essai sont donc en relation directe avec les températures d'ébullition normales des constituants du produit : une essence constituée de composés de points d'ébullition compris entre 0 et 200°C a, par exemple, un point initial de 30°C et un point final de 185°C. De ce fait, tout changement de la volatilité d'un produit se traduit par une modification de sa courbe de distillation ASTM :

- si le produit devient plus "léger" les températures de distillation ASTM baissent. - si le produit devient plus "lourd" les températures de distillation ASTM augmentent.

De la même façon à une température donnée de la distillation ASTM correspond un pourcentage volume plus important si le produit "s'allège" et inversement. Il faut signaler également l'importance particulière du POINT FINAL qui situe les plus "lourds" du produit et du RÉSIDU qui caractérise la quantité de constituants difficiles à vaporiser et susceptibles de se décomposer. En résumé :

•

l'allure de la courbe de distillation ASTM situe la volatilité des constituants qui se trouvent dans le produit.

•

une exigence de volatilité est souvent traduite par un pourcentage distillé minimum à une température donnée.

•

une limitation en "lourds" peut être obtenue en fixant une température maximum pour le point final du produit. De même on peut exiger un résidu inférieur à une valeur limite.

00003_A_F

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6

C 6 -4/B

PRESSION (ou tension) DE VAPEUR DES PRODUITS PÉTROLIERS — Norme NF EN 13016 - 1 : 2000 / ASTM D 5191 —

La pression ou tension de vapeur est la pression développée par les vapeurs d'un produit pétrolier contenu dans une bombe normalisée à la température de 37,8°C (100°F). Cet essai s'applique surtout aux carburants-auto. a - Pression de vapeur REID : TVR Pour cette méthode, l'appareillage utilisé est représenté ci-dessous.

Lecture de la TVR

Manomètre

Robinet pointeau

Chambre à air (volume ≈ 4 V) 100°F 37,8°C

D ANA 077 A

Chambre à essence (volume V)

Appareil pour la mesure de la pression de vapeur Reid

Cet essai consiste à remplir la petite chambre inférieure avec le produit, à plonger l'appareil dans le bain thermostasté à 37,8°C et à ouvrir le robinet pointeau pour permettre au manomètre de mesurer la pression due aux vapeurs émises par l'échantillon qui s'exprime en kiloPascals (kPa) : 1 kPa = 10 mbar (Patmosphérique = 1013 m bar) La valeur de la tension de vapeur Reid - ou RVP en anglais (Reid Vapor Pressure) - dépend directement de la teneur du produit en constituants volatils à forte tension de vapeur.

00003_A_F

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7

C 6 -4/B

b - Pression de vapeur sèche équivalente : PVSE Il s’agit d’une technique plus récente qui fait l’objet de la norme NF EN 13016-1 : 2000. Selon cette méthode, les vapeurs sont recueillies dans le vide, il est ainsi possible d’obtenir la pression exercée dans le vide par des produits pétroliers, des constituants et des produits de base, volatils, de faible viscosité et contenant de l’air. Les spécifications de pression de vapeur des carburants font aujourd’hui référence à cette méthode : on parle de PVSE. La TVR reste la référence en ce qui concerne la volatilité des essences spéciales. Cette technique présente les principaux avantages : - de n'exiger qu'une très faible quantité de produit (1 cm3 au lieu de 150 cm3 pour la TVR) - d'obtenir la température à atteindre pour obtenir une pression de vapeur de 3,6 bar Cette dernière information est intéressante pour les véhicules disposant d'une alimentation du carburant par injection car 3,6 bar est une valeur réaliste pour les rampes d'injection et les injecteurs.

Dans le cas des carburants-auto, la pression de vapeur est essentiellement liée à la teneur en butane qui est le constituant le plus volatil de l’essence. La pression de vapeur intervient également pour caractériser l’aptitude d’un carburant à se vaporiser.

00003_A_F

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8

C 6 -4/B

POINTS D’ÉCLAIR

Le point d'éclair également appelé point de flash est la température à laquelle il faut porter un produit pétrolier liquide pour qu'il émette dans des conditions normalisées, des vapeurs en quantité suffisante pour que celles-ci puissent s'enflammer en présence d'une flamme. A température supérieure à celle de son point d'éclair les vapeurs émises par un produit pétrolier forment donc avec l'air un mélange inflammable. Cette température ne doit toutefois pas être confondue avec la température d'auto-inflammabilité du produit qui est la température à laquelle le produit s'enflamme spontanément dans l'air. Dans une coupe pétrolière donnée, ce sont les constituants les plus volatils ou légers qui se vaporisent le plus facilement et qui constituent au-dessus de la phase liquide une atmosphère riche en vapeur d'hydrocarbures. Un enrichissement d’un produit pétrolier en constituants légers a, de ce fait, pour conséquence d'abaisser la température du point d'éclair. Les résultats obtenus par les méthodes d'essais normalisés de mesure du point d'éclair sont d'ailleurs très sensibles à la présence de traces d'impuretés volatiles ou de produits trop légers. Le point d'éclair est une caractéristique très importante puisqu'elle concerne la sécurité des opérations de transport, de transfert et de stockage. Plusieurs appareils tous normalisés sont utilisés pour mesurer un point d'éclair. Il faut noter que sur un même produit ils donnent des résultats différents et qu'il est nécessaire d'accompagner la valeur de la mesure d'un point d'éclair de la nature de la norme correspondante. Les essais peuvent être effectués en vase clos (closed cup) ou en vase ouvert (opened cup): Point d'éclair en vase clos -

Méthode M 07-011 (IP 170 ou D 3828) (appareil d'ABEL) pour points d'éclair compris entre – 18 et + 71°C : Jet A1, pétrole lampant Méthode NF EN ISO 2719 : 2003 (appareil PENSKY-MARTENS) pour points d'éclair > 50°C : Gazole moteur Méthode M 07-036 (appareil d'ABEL PENSKY) pour points d'éclair compris entre + 5 et 50°C : pétrole lampant (spécification douanière) Méthode T 60-103 (dite AFNOR ou LUCHAIRE) : FOD et fuels lourds Méthode NF T 66-009 (appareil Abel modifié pour points d'éclair < 110°C : bitumes fluidifiés et fluxés

Point d'éclair en vase ouvert -

Méthode T 60-118 (appareil CLEVELAND) pour points d'éclair > 80°C : produits types huiles de graissage et bitumes purs.

D'une manière générale la précision des résultats d'essais en vase fermé est meilleure que celle en vase ouvert. Toutes ces méthodes normalisées découlent des méthodes américaines ASTM (sauf la méthode AFNOR). 00003_A_F

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9

1-

C 6 -4/B

POINT D’ÉCLAIR "AFNOR ou LUCHAIRE" - Norme T 60-103 Cette méthode permet de mesurer le point d'éclair des lubrifiants et des huiles combustibles suivant une normalisation française. Elle s'adresse plus particulièrement aux fuels oil domestiques et aux fuels lourds. L'appareillage utilisé est représenté de manière simplifiée sur le schéma ci-dessous. Thermomètre Joint d'étanchéité

Veilleuse permanente

Couvercle

Cheminée Creuset

D ANA 068 A

+ 2 à 3°C par minute

Dans cet essai l'échantillon est placé dans un creuset dont le couvercle est muni d'une petite cheminée. Le produit est chauffé peu à peu et le point d'éclair est atteint quand les vapeurs qui s'échappent par la cheminée deviennent suffisamment riches en hydrocarbures pour s'enflammer en présence de la veilleuse positionnée au-dessus de celle-ci. Le thermomètre plongé dans le produit permet de noter la température correspondante qui est le point recherché.

Appareil Luchaire

2-

POINT D’ÉCLAIR ET POINT DE FEU DES HUILES ET GRAISSES INDUSTRIELLES - APPAREIL CLEVELAND - Norme NF T 60-118 Thermomètre

Cette méthode de mesure du point d’éclair s'applique aux produits très lourds comme les huiles de base et les bitumes purs.

Veilleuse présentée tous les 2°C

Le principe de la méthode est le même que celui de l'essai précédent. Les différences résident dans le fait que le creuset n'a pas de couvercle (vase ouvert) que la vitesse de chauffage est plus rapide et que la veilleuse n'est présentée qu'à intervalles réguliers.

D ANA 069 A

+ 5 à 6°C par minute

Appareil Cleveland (vase ouvert) (pour point éclair > 80°C)

00003_A_F

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10

3-

C 6 -4/B

APPAREIL PENSKY-MARTENS (Point d'éclair > 50°C) NF EN ISO 2719 : 2003 Thermomètre de mesure normalisé

Entraînement escamotable de l'agitateur Fenêtre d'essais

Commande de basculement de la flamme et d'ouverture de fenêtre

Dispositif d'allumage à bascule Alimentation de la veilleuse

Couvercle Collet de supportage du vase

Alimentation de la flamme pilote Agitateur vapeurs et bain

Flamme d'essai présentée tous les 1°C ou tous les 2°C + 5 à 6°C par minute

D ANA 070 A

Couche d'air (3 à 4 mm)

4-

APPAREIL ABEL (Point d'éclair < 55°C) ASTM D 3828 et IP 170 Agitateur

Thermomètre de bain

Dispositif de basculement de la veilleuse

Thermomètre d'échantillon Articulation Couvercle

Lampe veilleuse Doigt

Bain d'air

Échantillon

Glissière

+1°C par minute Flamme veilleuse tous les 0,5°C Bain marie 00003_A_F

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D ANA 071 A

Détail du couvercle

11

C 6 -4/B

II - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA COMBUSTION DES PRODUITS PÉTROLIERS

Les essais normalisés liés à la combustion concernent les carburants et combustibles qui représentent plus de 80 % de la consommation française de produits pétroliers. La qualité de la combustion est une préoccupation importante de l'utilisateur. Elle est caractérisée notamment par : -

les indices d'octane (NF EN ISO 5164 : 2005 et NF EN ISO 5163 : 2005) recherche (RON) et moteur (MON) des carburants des moteurs à allumage commandé. Ces propriétés sont en relation avec l’aptitude des essences automobiles à subir une combustion sans détonation

-

l'indice de cétane mesuré et calculé (NF EN ISO 5165 : 1998 et NF EN ISO 4264 : 1997) des carburants des moteurs Diesel à allumage par compression. Il s’agit ici de caractériser l’aptitude des gazoles de s’enflammer dans l’air chaud comprimé par le moteur. Compte tenu de l’utilisation d’additifs améliorateurs de l’indice de cétane, on distingue aujourd’hui l’indice de cétane mesuré (NF M 07035) et l’indice de cétane calculé (ISO 4264)

-

le point de fumée (NF M 07-028, D 1322) des carburéacteurs. Celui-ci influe sur les caractéristiques de la flamme dans les réacteurs des avions et notamment sur son rayonnement

-

le résidu de carbone Conradson (NF EN ISO 1070 : 1995) pour le GOM, le FOD et aussi pour les fuels lourds. Cette caractéristique est en relation avec la formation de dépôts charbonneux

Par ailleurs la valeur énergétique et aussi l'un des premiers critères de qualité des carburants et des combustibles. Elle est caractérisée par le pouvoir calorifique (NF M 07-030, D 4529). Bien qu'il s'agisse d'une propriété importante des fuels, seul le carburéacteur JET A-1 répond à une spécification de pouvoir calorifique minimum.

00003_A_F

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12

C 6 -4/B

INDICES D’OCTANE DES ESSENCES AUTOMOBILES — NFEN ISO 5164 : 2005 et NF EN ISO 5163 : 2005 —

L'indice d'octane est une propriété essentielle des carburants auto. Elle caractérise l'aptitude du carburant à brûler correctement dans un moteur à allumage commandé. Pour un moteur donné, l'apparition d'un fonctionnement anormal lié au carburant se traduit par un bruit métallique appelé cliquetis et par un échauffement du moteur.

1-

LE CLIQUETIS ET SES CONSÉQUENCES Le principe du cycle d'un moteur à quatre temps et l'évolution de pression dans la chambre sont rappelés sur le schéma ci-dessous. 4e temps : Echappement sortie des gaz brûlés

3e temps : Combustion et détente

2e temps : Compression et allumage

Pression en bar

1er temps : Admission entrée air + essence

50 40 Pression maximale 20

Fermeture SOUPAPE ADMISSION 2

10 1 bar

1

Ouverture SOUPAPE ECHAPPEMENT

Allumage 3

5

PMB

atmosphérique

Avance à l'allumage

PMH

PMH

Degrés du vilebrequin 360°

540°

Dans des conditions de fonctionnement classiques, on peut observer les valeurs suivantes : -

1

PMB

PMH

180°

PMB : point mort bas

4

Combustion

Pression

0°

PMH : point mort haut

durée de la combustion : 1 à 2 millièmes de seconde avance à allumage : de 4 à 25° de vilebrequin pression maximale de 35 à 50 bar

00003_A_F

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720°

D ANA 063 A

30

13

C 6 -4/B

Le cliquetis est dû à une auto-inflammation instantanée, en un point de la chambre de combustion, du carburant au lieu que celui-ci subisse une combustion rapide mais progressive avec une propagation normale du front de flamme issu de l'allumage par l'étincelle de la bougie. Le cliquetis apparaît donc dans le mélange carburé qui est atteint en dernier par le front de flamme.

Bougie

Admis sion

Cette partie non encore brûlée, ou charge résiduelle, mélange d'air et de carburant vaporisé, se trouve portée dans des conditions de pression et de température telles qu'elle peut s'autoenflammer brutalement avant d'être atteinte par le front de flamme.

nt ppeme Écha

Front de flamme

Mélange brûlé

D ANA 062 A

Zone de cliquetis Piston

Les diagrammes ci-dessous montrent les vibrations de la phase gazeuse dues à l'augmentation locale de la pression. Les vibrations frappent la tête de piston et provoquent le bruit caractéristique du cliquetis.

PMH

PMH

Conséquences en cas de cliquetis intense et prolongé • surcharge du système de refroidissement et augmentation de température (détérioration du joint de culasse), pouvant aboutir à la casse du moteur

allumage

• détériorations mécaniques D ANA 064 A

allumage

Combustion normale

Combustion avec cliquetis

Érosion de la culasse et du piston. Détérioration des bougies et des soupapes.

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C 6 -4/B

Pour un carburant donné l'apparition du cliquetis dépend d'un nombre important de facteurs : -

conditions atmosphériques : pression - température forme de la chambre de combustion, réglage de la carburation (richesse), vitesse de rotation du moteur, réglage de l'avance à l'allumage, ..., rapport volumétrique ou taux de compression du moteur qui est défini à partir des volumes de la chambre dans les deux positions extrêmes du piston : le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) Taux de compression =

Volume de la chambre PMB Volume de la chambre PMH

On sait qu'un taux de compression élevé améliore le rendement du moteur et réduit, par conséquent sa consommation en carburant. Parallèlement, le taux de compression détermine en grande partie les valeurs extrêmes atteintes par la pression au cours de la combustion. Un taux de compression élevé conduit à des pressions plus fortes favorisant l'apparition du cliquetis. les moteurs aspirés usuels ont des taux de compression compris entre 8 et 11. Toutefois pour un moteur donné et pour des conditions de fonctionnement identiques l'apparition du cliquetis ne dépend que du carburant. C'est en se basant sur ces constatations qu'a été créée une méthode normalisée permettant d'évaluer et de classer les carburants en fonction de leur résistance au cliquetis.

2-

MOTEUR C.F.R. - INDICES D'OCTANE, DÉFINITION ET MESURE a - Moteur CFR Pour déterminer la capacité de résistance au cliquetis d'un carburant donné on utilise un moteur normalisé mis au point par la "COOPERATIVE FUEL RESEARCH" (C.F.R.). C'est un moteur monocylindrique tournant à vitesse constante. Pour faire apparaître ou disparaître le cliquetis on peut agir sur le taux de compression variable grâce au déplacement de l'ensemble cylindre-culasse par rapport au bâti du moteur. La mesure du cliquetis est réalisée par un détecteur dont l'extrémité est placée dans la chambre de combustion. Le signal est amplifié et transmis à un appareil de mesure le "Knockmeter".

yy ;; y;y;yy ;; ;; yy y;

Capteur de pression 40

Micromètre

20

K

60

C M E TE NO R

80

100

0

Bougie

Carter fixe

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Knockmeter (cliquetis mètre)

D ANA 072 A

Cylindre mobile (Crémaillère)

15

C 6 -4/B

• Principe de la mesure : on constitue un mélange de 2 carburants étalons qui sont : -

l'heptane-normal qui cliquette facilement, auquel on a affecté l'indice d'octane 0. l'isooctane (2,2,4-triméthylpentane) qui a une très bonne résistance au cliquetis, auquel on a attribué l'indice 100.

Par définition l'indice d'octane de ce carburant est donné par le pourcentage volumique d'isooctane dans le mélange de normal-heptane et d'isooctane. On dit ainsi qu'un carburant a un indice d'octane de 96 s'il provoque dans le moteur C.F.R. un cliquetis identique à celui observé pour un mélange de 96 % en volume d'isooctane et de 4 % en volume de normal-heptane. b - Méthodes normalisées Deux méthodes principales sont utilisées pour les carburants automobiles. Elles diffèrent notamment par la vitesse de rotation du moteur C.F.R. et par la température du mélange carburé à l'admission. — Méthode Recherche (Research) ou F1 (NF EN ISO 5164 : 2005) : Indice d'octane recherche ou Research Octane Number (RON) La vitesse de rotation est de 600 tr/mn et le mélange carburé est admis à température ambiante. On obtient ainsi l'indice d'octane Recherche. — Méthode Moteur (Motor) ou F2 (NF EN ISO 5164 : 2005) : Indice d'octane Moteur ou Motor Octane Number (MON) La vitesse de rotation du moteur C.F.R. est de 900 tr/mn et la température du mélange carburé à l'admission est de l'ordre de 150°C. c - Sensibilité du carburant Compte tenu des conditions plus sévères de la mesure, l'indice d'octane moteur est généralement inférieur à l'indice d'octane recherche. La différence RON-MON est appelée sensibilité d'un carburant. Une spécification de MON ou de sensibilité est une garantie de bon comportement du carburant en conditions sévères d'utilisation. d - Répartition de l’octane - Mesure de ∆ R Lors d'une accélération brutale, qui est dans la pratique la phase de conduite où le cliquetis se manifeste le plus souvent, le moteur aspire essentiellement pendant le phase transitoire les fractions les plus "légères" du carburant qui n'ont pas forcément le même indice d'octane que celui du carburant lui-même.

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C 6 -4/B

Pour tenir compte de ce facteur dans la prévision du comportement des carburants dans une automobile ESSO STANDARD a mis au point une nouvelle méthode : la méthode ∆ R entre l'indice d'octane des fractions légères du carburant et celui du carburant complet ∆R = RON du carburant - RON des fractions légères On parle souvent du ∆R 100 : dans ce cas les fractions légères sont constituées par la fraction du carburant qui distille jusqu'à 100°C. En général, le ∆R est positif et on cherche à élaborer des carburants dont le ∆R est aussi faible que possible, assurant ainsi une bonne répartition de l'octane. Il n'existe pas de spécification officielle concernant le ∆R ; toutefois la valeur moyenne du ∆R 100 est voisine de 7 points d'octane.

3-

INDICES D’OCTANE DES HYDROCARBURES Le tableau ci-dessous situe les valeurs relatives des indices d'octane des différentes familles d'hydrocarbures. Existent dans les pétroles bruts PARAFFINES

Produits dans les craquages

NAPHTÈNES

AROMATIQUES

OLÉFINES

Paraffines normales en chaîne droite

Isoparaffines en chaîne ramifiée

faible

faible

moyenne

élevée

faible

Indice d'octane Recherche (RON)

très faible

élevé

moyen

très élevé

assez élevé

Sensibilité

très faible

très faible

faible

élevée

très élevée

Masse volumique à l'état liquide

En fonction des proportions respectives des différentes familles d'hydrocarbures composant les essences, on obtient des coupes pétrolières d'indices d'octane très variables ainsi : -

les essences lourdes de distillation provenant directement des pétroles bruts sont riches en paraffines normales et contiennent peu d'aromatiques : leurs indices d'octane sont donc très faibles par contre les essences de reformage catalytique (réformats) riches en aromatiques ont des indices d'octane recherche très élevés et des indices d’octane moteur élevés sans plus les essences de craquage catalytique contiennent une proportion notable d'aromatiques ainsi que des oléfines et des hydrocarbures saturés. Leurs indices d'octane recherche sont donc assez élevés mais les indices d’octane moteur sont faibles un alkylat ou un isomérat, riche en isoparaffines sont caractérisés par des indices d’octane moteur très élevés

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C 6 -4/B

4 - ADDITIFS AMÉLIORANT L'INDICE D'OCTANE - SUSCEPTIBILITÉ DES CARBURANTS Dès 1922 des chercheurs de la Société "General Motors" avaient découvert que certains composés ont la propriété d'améliorer la résistance au cliquetis des carburants, donc leur indice d'octane. Parmi ceux-ci se sont imposés rapidement comme additifs aux carburants-auto : le plomb tétraéthyle (P.T.E.) liquide teb = 200°C le plomb tétraméthyle (P.T.M.) liquide teb = 110°C ou un mélange des deux. L'effet de l'addition des composés au plomb n'est pas le même pour toutes les essences : certaines voient leur indice d'octane augmenter fortement et l'on dit qu'elles ont une grande susceptibilité au plomb, d'autres au contraire réagissent plus faiblement démontrant ainsi une faible susceptibilité au plomb. L'indice d'octane avant addition de plomb est dit indice d'octane clair. Ces additifs à base de plomb sont aujourd’hui remis en cause dans de nombreux pays. En effet, les recherches effectuées depuis 1975 pour réduire la pollution atmosphérique due aux gaz d'échappement des automobiles ont conduit à la mise en place sur le circuit d'échappement d’un pot catalytique. Celui-ci utilise un catalyseur favorisant l'élimination chimique des produits toxiques contenus dans les gaz d'échappement. L'évolution des normes antipollution est telle que le pot catalytique est installé maintenant en Europe sur tous les véhicules utilisant des carburants auto. Les composés de plomb rejetés avec les produits de combustion constituent un poison pour le catalyseur. C'est donc essentiellement l'actuelle utilisation des pots catalytiques qui est à l'origine de la remise en cause de l'utilisation du plomb comme additif d'octane dans les carburants. Les directives légales en vigueur sont les suivantes : -

installation de pots catalytiques sur tous les véhicules neufs (depuis le 1er Janvier 1993)

- suppression du plomb dans les carburants-auto distribués dans l’Union Européenne depuis le 1er Janvier 2000

La suppression du plomb est effective dans tous les pays de l’UNION. Il est à signaler que la suppression du plomb a conduit à incorporer dans le supercarburant commercial remplaçant le supercarburant plombé un additif Anti-Récession des Soupapes (ARS) à base de potassium.

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C 6 -4/B

INDICE DE CÉTANE DES GAZOLES — NF EN ISO 5165 : 1998 et NF EN ISO 4264 : 1997 –

L'indice de cétane est une propriété très importante des carburants Diesel, car il mesure leur aptitude à s'enflammer dans le chambre de combustion des moteurs à allumage par compression. Il concerne surtout le gazole moteur (G.O.M.) mais aussi le fuel oil domestique (F.O.D.).

FONCTIONNEMENT DES MOTEURS À ALLUMAGE PAR COMPRESSION 80

40 30 20 10

Fin d'injection

50

Délai d'allumage

;y

100

50

Injection

400 à 600 °C

0

0

Angle de rotation vilebrequin

Dans ce type de moteur, le carburant est injecté dans le cylindre qui contient l'air réchauffé durant la phase de compression. On constate sur le schéma ci-dessus que la combustion ne démarre pas instantanément après le début de l'injection. En effet, il y a un décalage dans le temps entre le commencement de l'injection et le début de la combustion repéré par l'augmentation brutale de la pression dans la chambre. Ce décalage est appelé délai d'allumage. On conçoit que ce délai d'allumage a une grande influence sur le fonctionnement du moteur : -

en marche normale un combustible à faible délai d'allumage conduit à une marche douce et peu bruyante du moteur, en limitant l'élévation brutale de pression qui à chaque cycle correspond à la combustion incontrôlée du combustible injecté durant la période du délai d'inflammation

-

lors des démarrages à froid, où les conditions d'inflammation du combustible sont plus difficiles (faible température de l'air en fin de compression), un délai d'allumage réduit du combustible est également recherché

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D PPC 049 A

TEMPÉRATURE DE L'AIR EN FIN DE COMPRESSION

60

Fraction brûlée (%)

Moteur à préchambre 20 - 24

70

PMH

Moteur à injection directe 14 à 17

Pression (bar)

Débutde combustion

TAUX DE COMPRESSION

Débutd'injection

1-

19

2-

C 6 -4/B

MESURE DU DÉLAI D'ALLUMAGE - INDICE DE CÉTANE a - Moteur CFR Diesel : indice de cétane mesuré (NF EN ISO 5165 : 1998) Le délai d'allumage n'est pas mesuré directement mais l'on compare le comportement du gazole dans un moteur normalisé (moteur C.F.R. Diesel) avec des mélanges de référence constitués par : -

une paraffine normale : le cétane (nC16) présentant un faible délai d'allumage qui a par définition un indice de cétane égal à 100

-

un composé aromatique : l'α méthyl naphtalène de point d'ébullition comparable présentant un délai d'allumage élevé qui a par définition l'indice de cétane 0. On utilise aussi comme carburant de référence l’heptaméthylnonane d’indice de cétane 15 comme référence basse

L'indice de cétane est défini par le pourcentage volumique de cétane dans le mélange des 2 carburants de référence qui a le même délai d'allumage que le gazole essayé dans le moteur C.F.R. Diesel.

b - Indices de cétane des hydrocarbures Les indices de cétane des différentes familles d'hydrocarbures sont donnés ci-dessous .

Existent dans les pétroles bruts PARAFFINES

Masse volumique à l'état liquide Indice de cétane

Produits dans les craquages

NAPHTÈNES

AROMATIQUES

OLÉFINES

Paraffines normales en chaîne droite

Isoparaffines en chaîne ramifiée

faible

faible

moyenne

élevée

faible

très élevé

faible

moyen

faible

faible

On voit que les gazoles plutôt paraffiniques obtenus par distillation des pétroles bruts ont des indices de cétane élevés. Au contraire des gazoles de craquage riches en composés insaturés de type aromatique ou oléfinique ont des indices de cétane bas.

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C 6 -4/B

c - Indice de cétane calculé L’indice de cétane mesuré ne représente pas l’indice de cétane réel du produit d’origine quand celui-ci renferme des additifs pro-cétane. On utilise donc une autre approche de l’indice de cétane dite indice de cétane calculé pour apprécier la qualité du gazole hors additifs. Cette méthode utilise à la base deux propriétés facilement accessibles : la masse volumique et la volatilité. La nature chimique du gazole est traduite par le paramètre masse volumique : on sait que les hydrocarbures paraffiniques ont des densités nettement inférieures aux hydrocarbures naphténiques ou aromatiques. La volatilité du gazole est traduite par la température du point 50 % distillé ASTM. Ces deux paramètres suffisent pour déterminer l'indice de cétane (IC) calculé grâce à l'abaque par points alignés reproduit ci-dessous (ASTM D 976-91). C 300 290 0.79

280

47 45

0.80

270 65 260

43

0.81

60 250 55

41

densité API

39

0.82 0.83

50

240

0.84

35

0.85

45

33

0.86

31

0.87

29

0.88

27

0.89

220

450

430

210

Indice de cétane calculé

410

390 380

0.90 190

0.91

IC = 49

400 200

370

23

Exemple d15 = 0,832 t50 = 250°C

420

30

25

470

440

40 35

480

460 230

37

F 570 560 550 540 530 520 510 500 490

D ANA 073 A

Masse volumique à15 °C

Température 50 % distillé

49

La norme NF EN ISO 4264 : 97 ou ASTM D 4737-90 donne des résultats plus précis que la méthode précédente dans un domaine toutefois plus restreint. Il s'agit de la détermination de l'indice de cétane calculé à partir d’une formule par le biais de 4 variables. -

masse volumique à 15°C point 50 % distillé ASTM point 90 % distillé ASTM point 10 % distillé ASTM

Elle s'applique dans l'intervalle suivant : 32,5 < IC < 56,5 0,805 < d15 < 0,895

Distillation ASTM 171 < point 10 % < 259°C 212 < point 50 % < 308°C 251 < point 90 % < 363°C

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3-

C 6 -4/B

POLLUTION PAR LES MOTEURS DIESEL Les émissions de NOx d’un moteur Diesel sans post-traitement du gaz d’échappement, comparées à celles d’un moteur à essence, dépendent directement de la température de flamme. En conditions de circulation urbaine, le moteur à essence équipé d’un pot catalytique 3 voies, qui détruit simultanément le CO, les HC et les NOx, doit fonctionner à richesse 1, donc à température de flamme élevée. Il émet une quantité importante de NOx avant le pot catalytique, mais faible après celui-ci. Le moteur Diesel, dans des conditions semblables, émet moins de NOx que le moteur à essence, du fait d’une grande dilution d’air mais une voiture à essence catalysée, qui détruit ≅ 95 % des NOx émis à la sortie du moteur, produit moins de NOx qu’un Diesel sans post-traitement des gaz d’échappement. La sévérisation des normes antipollution pour le moteur Diesel nécessite d'envisager en priorité la réduction des rejets de NOx et de particules. Diverses solutions technologiques sont envisagées ou en application pour réaliser ces objectifs. Parmi elles : -

le recyclage des gaz d'échappement (RGE) : destiné à réduire les émissions de NOx par dilution et abaissement de température de flamme : – 50°C divise les NOx d’un facteur ≅ 2

-

l'emploi de pièges à particules permettant de les brûler en continu ou en discontinu, mais d’un potentiel limité aux véhicules utilitaires, bus et camions, pour des raisons d’encombrement

-

la mise en place d'un pot catalytique oxydant qui transforme les HC imbrûlés en CO2 + H 2O et le CO en CO2. Il permet de brûler en même temps une partie de la fraction hydrocarbonée des particules. Les pots d’oxydation existent en série, sur les véhicules allemands, depuis plusieurs années

La catalyse “Dénox” est en développement, et son efficacité est actuellement de 50 %, au mieux. Ce type de catalyse trouve aussi son intérêt pour les véhicules à essence fonctionnant en mélange pauvre (excès d’air). Il est à signaler que le catalyseur Dénox est très sensible à la présence de soufre. Cela explique en partie les nouvelles exigences de limitation de teneur en soufre du gazole. Il est important de noter que la quantité de particules émises augmente avec la teneur en soufre du gazole. Ceci provient du fait qu'une partie du S se transforme en SO2 puis en H2 SO 4 hydraté comptabilisé en même temps que les particules (filtration). Par ailleurs, la présence de soufre favorise l'apparition de particules sous forme de sulfates, combinaison du soufre du gazole et des métaux (Mg, Ca) contenus dans les additifs des lubrifiants. La dépollution des moteurs Diesel passe en conséquence inévitablement par la diminution de la teneur en soufre des gazoles. La Directive Européenne a fixé les valeurs suivantes concernant la teneur en soufre des gazoles : 0,2 % masse depuis le 1er/10/94, 0,05 % masse à partir du 1er/10/96, 0,035 % masse à partir du 1er/1/2000, 0,005 % à partir du 1er/1/2005 et enfin 0,001 % en 2009. Cette évolution n'est pas sans conséquence sur le raffinage, qui doit notamment mettre en œuvre un renforcement des capacités et un accroissement des performances des unités de désulfuration des gazoles.

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C 6 -4/B

POINT DE FUMÉE DES CARBURÉACTEURS NF M 07-028 ou ASTM D1322 — Smoke point —

Pour assurer la longévité des matériaux constituant la chambre de combustion et les turbines d’un réacteur d’avion, il est nécessaire d’obtenir lors de la combustion une flamme claire limitant la propagation de chaleur par rayonnement et ainsi que la formation de particules de carbone. Pour évaluer le comportement d’un carburéacteur lors de sa combustion, celui-ci est brûlé dans une lampe à mèche normalisée. On cherche à obtenir la flamme la plus haute possible et cela sans formation de fumée. Cette hauteur de flamme, exprimée en millimètre, est mesurée à 0,5 mm près sur une échelle graduée incorporée à la lampe et est appelée "point de fumée" du produit testé.

y ; yy;yy ;; ;yy ; y ;; Corps de la lampe

Brûleur porte mèche + équipement pour monter et descendre la mèche (non représenté)

Admission d'air

Mèche

Porte mèche Échantillon (20 ml)

Évent

CORPS DE LA LAMPE

BRÛLEUR PORTE MECHE

D ANA 074 A

Échelle graduée

Flamme

Le point de fumée est en relation avec la teneur en hydrocarbures aromatiques. 50

Point de fumée (mm)

40

Par comparaison avec les autres familles, ces hydrocarbures sont, en effet, plus riches en carbone et conduisent lors de la combustion à une flamme plus rayonnante à cause de la présence de fines particules carbonées. Ils donnent par conséquent plus facilement une flamme fumeuse.

s ine e) f f ra um Pa Vol (% 50 %

30

20 20 %

0

5

10

15

20

25

Aromatiques (% volume)

D ANA 075 A

10

Ainsi, une teneur élevée en aromatiques se traduit par un point de fumée faible et inversement comme on le constate sur le schéma ci-contre.

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C 6 -4/B

ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA COMBUSTION DES FUELS

1-

POUVOIR CALORIFIQUE Les fuels étant vendus comme combustible, leur pouvoir calorifique est une propriété fondamentale sur laquelle, paradoxalement, ne porte aucune spécification officielle. Le pouvoir calorifique d'un fuel et plus généralement d’un combustible est la quantité de chaleur libérée dans les conditions déterminées par la combustion d'un kilogramme du produit. Il s'exprime en kcal/kg ou en MJ/kg (MJ = mégajoule). La norme française NF M 07-030 décrit une méthode de détermination d'un pouvoir calorifique supérieur (PCS) à volume constant des produits pétroliers à partir duquel on peut déduire le pouvoir calorifique inférieur (PCI) à pression constante. En effet, selon que l'eau formée lors de la combustion du fuel est récupérée à l'état liquide ou à l'état vapeur, les quantités de chaleur dégagée diffèrent d'une valeur correspondant à la chaleur de condensation de l'eau formée. Si l'eau est récupérée liquide, la quantité de chaleur est la plus élevée, on parle de PCS, si l'eau est récupérée vapeur on obtient le PCI. Généralement on s'intéresse plutôt à la valeur du PCI. Les PCI usuels des fuels commerciaux sont les suivants : Fuel-Oil Domestique Fuel-Oil Lourd n° 2 HTS Fuel-Oil Lourd n° 2 TBTS

10 150 kcal/kg 9 400 kcal/kg 9 900 kcal/kg

ou ou ou

42,5 MJ/kg 39,4 MJ/kg 41,5 MJ/kg

L'AFNOR donne les indications suivantes concernant la fidélité de la méthode : Répétabilité Reproductibilité

50 kcal/kg 100 kcal/kg

Les écarts entre les valeurs des PCI s'expliquent essentiellement par des différences de nature chimique des principaux hydrocarbures entrant dans la composition des fuels. On indique dans le tableau ci-dessous quelques unes de leurs propriétés : densité, C/H, PCI.

Densité Rapport Massique Carbone (C/H) Hydrogène P.C.I.

Aromatiques et composés sulfurés

D CH 140 A

D CH 139 A

Naphténiques

D CH 138 A

Paraffiniques

Faible

Moyenne

Élevée

Faible

Moyen

Élevé

Élevé

Moyen

Faible

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C 6 -4/B

Les composés sulfurés lourds sont de nature chimique surtout aromatique et possèdent des propriétés similaires à celles des hydrocarbures aromatiques. On voit donc que le pouvoir calorifique d'un produit pétrolier diminue quand : la densité augmente le rapport C/H ainsi que la teneur en soufre s'accroissent

La tableau ci-dessous indique les propriétés de quelques fuels commerciaux.

2-

Valeurs usuelles

F.O.D.

F.O. N°2 HTS

F.O. N°2 TBTS

15 d4

0,830 - 0,880

1,035

0,945

C/H

6,3

8,5

7

Soufre

< 0,2 %

3,6 %

<1%

P.C.I. kcal/kg

10 150

9 400

9 900

LE RÉSIDU DE CARBONE CONRADSON (NF EN ISO 1070 : 1995) Cet essai normalisé mesure le résidu obtenu après chauffage, combustion et pyrolyse d'un échantillon de produit pétrolier. L'appareillage est représenté sur le schéma ci-dessous.

Hotte Couvercle en fer Ouverture horizontale Bloc isolant

Creuset en fer Creuset en porcelaine Creuset en fer embouti

D ANA 076 A

Sable

Couvercle en fer

Chauffage 10 mn Combustion 13 mn Pyrolyse 7 mn

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Le chauffage initial dure normalement 10 mn, la combustion 13 mn et la pyrolyse 7 mn. Le résidu correspond à des produits non vaporisables dans les conditions de l'essai et sa masse est rapportée à celle de l'échantillon de départ pour exprimer le résidu de Carbone Conradson en % masse ( ou C.C.R.). Le résultat de l'essai indique la teneur du produit pétrolier en composés non vaporisables formant des dépôts charbonneux de "coke". Cet essai concerne particulièrement le gazole et le fuel-oil domestique (l'essai est réalisé sur les 10 % restant de la distillation de l'échantillon). Cette contrainte sur le gazole est destinée à éviter l'encrassement des injecteurs et de la chambre de combustion par les produits cokéfiables. En ce qui concerne le F.O.D. certains appareils de chauffage individuel fonctionnant au F.O.D. utilisent pour vaporiser le combustible une "coupelle à caléfaction" ou une "coupelle à vaporisation", sorte de plaque chaude sur laquelle le combustible se vaporise. Si le F.O.D. contient des produits non vaporisables, ils craquent et forment du coke qui remplit la coupelle rendant impossible le fonctionnement de l'appareil. Par ailleurs le carbone Conradson est également considéré comme reflétant l’aptitude du FOD à brûler sans formation de suie. Il intervient dans les propriétés des fuels lourds car il est en relation avec les difficultés de combustion et les émissions d'imbrûlés solides. On le rencontre enfin dans les spécifications des huiles de base et dans la caractérisation des charges lourdes dans les unités de conversion.

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C 6 -4/B

III - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS AU STOCKAGE ET À L’ÉCOULEMENT DES PRODUITS PÉTROLIERS

La propriété essentielle intervenant dans les problèmes d'écoulement et de pompabilité des liquides est la viscosité. Cette même caractéristique est fondamentale pour la fonction lubrification des huiles de base. Elle intervient également dans la pulvérisation des combustibles liquides. La viscosité est liée aux difficultés que rencontrent les particules de fluide dans leur libre déplacement les unes par rapport aux autres. Les méthodes utilisées pour déterminer la viscosité conduisent à adopter 2 définitions différentes : -

la viscosité dynamique traduit la réalité des frottements intérieurs entre les particules de fluide. Elle s'exprime le plus souvent en millipascal-secondes plus connus sous l'appellation centipoises (abréviation : cP).

VISCOSITÉ DYNAMIQUE µ → mPa . s ou centipoises (cP)

-

la viscosité cinématique prend en compte, en plus des frottements internes, la masse volumique ou densité du liquide. Cette dernière intervient à chaque fois que l'on détermine une viscosité en mesurant un temps d'écoulement sous charge. On conçoit en effet que le temps obtenu dépend non seulement de la viscosité propre du liquide mais aussi de la densité. La viscosité cinématique s'exprime dans le système SI en m2/s. On préfère souvent utiliser le mm 2/s qui correspond à l'unité la plus connue de viscosité cinématique : le centistoke (abréviation : cSt).

VISCOSITÉ CINÉMATIQUE ν → mm2/s ou centistokes (cSt) À titre de référence, la viscosité de l’eau liquide à 20°C est de 1 cSt. La viscosité des liquides varie avec la température : D'une façon générale la viscosité des liquides diminue très vite quand la température augmente. Il importe donc de pratiquer les mesures à des températures parfaitement contrôlées. Celles-ci se déroulent le plus souvent à 40°C, 50°C ou à 100°C.

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C 6 -4/B

MESURE DE LA VISCOSITÉ DES PRODUITS PÉTROLIERS

1-

MESURE DE LA VISCOSITÉ CINÉMATIQUE DES PRODUITS PÉTROLIERS - Norme NF T 60-100 La norme NF EN ISO 3104 : 1996 décrit une méthode de mesure de la viscosité cinématique des produits pétroliers liquides. Elle consiste à mesurer le temps mis par un volume déterminé de liquide pour s'écouler, dans les conditions normalisées, par un capillaire calibré à température fixée. La viscosité cinématique est calculée à partir du temps d'écoulement par la formule : Viscosité cinématique (en cSt) = C.t C = constante du viscosimètre qui dépend de la taille du capillaire du viscosimètre utilisé t = temps d'écoulement en secondes. On utilise les appareils suivants : -

le viscosimètre Ubbelohde à niveau suspendu pour les liquides transparents le viscosimètre Cannon Fenske à écoulement inversé pour les liquides opaques. Tube de remplissage

Tube de remplissage Repères Repères

Tube capillaire

VISCOSIMÈTRE UBBELOHDE — liquides clairs —

Sens d'écoulement

VISCOSIMÈTRE CANNON-FENSKE — liquides opaques —

00003_A_F

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D ANA 088 A

Sens d'écoulement

28

C 6 -4/B

Après remplissage, les schémas ci-après font apparaître la situation de l'appareil Ubbelohde au déclenchement et à l'arrêt du chronomètre.

D ANA 086 A

Mesure du temps d'écoulement d'un volume donné de produit à température fixée à travers un tube capillaire

2-

yy ;; ; y ; y ;; ; y ; y ;;yy yy ;; yy ;;yy yy ;; ;; yy ; y ; y ;; yy y;y;

MESURE DE LA VISCOSITÉ À L'AIDE DE VISCOSIMÈTRES EMPIRIQUES La détermination de la viscosité peut être effectuée avec d'autres appareils qui répondent tous au même principe : mesure à température donnée et un temps d'écoulement d'un volume donné de produit à travers un orifice calibré. Les plus utilisés sont les viscosimètres Engler et Saybolt dont les schémas sont donnés ci-dessous.

° ENGLER Bain marie thermostaté

Obturateur

yyyy ;; ;;

200 cm3

Mesure d'un temps d'écoulement

Repère

SSU SSF

Liquide à essayer

Ajutage calibré

Flacon de réception

y ;

Flacon de réception

Universal Ø = 1,76 mm Furol Ø = 3,15 mm Fond du bain thermostatique

60 cm3

D ANA 087 A

Thermomètre

Niveau de remplissage

La viscosité prend alors le nom de l'appareil et s'exprime : -

pour le viscosimètre Engler en Degré Engler (abréviation : °E) pour le viscosimètre Saybolt en Secondes Saybolt Universal (SSU) si on utilise l'orifice "universal" d'un diamètre de 1,76 mm et en Secondes Saybolt Furol (SSF) avec l'orifice de 3,15 mm.

Des tables de conversion permettent d'obtenir la correspondance entre les différentes unités de viscosité. 00003_A_F

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29

C 6 -4/B

POUVOIR LUBRIFIANT DU GAZOLE MOTEUR — Norme ISO 12156-1 / ASTM D 6079 —

Les systèmes d’injection utilisés dans les moteurs Diesel exigent l’absence de contaminants solides et d’eau. Parallèlement ces dispositifs sont préservés d’une usure prématurée grâce au pouvoir lubrifiant du gazole (lubricity en anglais). Ce dernier semble diminuer de manière notable quand la teneur en soufre du gazole diminue. Cette réduction du pouvoir lubrifiant conduit à des grippages des dispositifs d’injection et à la nécessité des additifs spécifiques (additifs de lubrifiance). Depuis Juillet 1999, une spécification relative à la détermination du pouvoir lubrifiant a été introduite. L’essai, faisant l’objet de la norme ISO 12156-1 consiste à faire subir à une bille immergée dans un échantillon de gazole un mouvement alternatif sous charge sur une plaque d’essai. Sous l’effet du frottement il apparaît sur la bille une marque d’usure dont on mesure les dimensions.

Charge appliquée

Plaque d'essai

Bac chauffant

Bille d'essai Mouvement d'oscillation

D ANA 119 A

Bac à carburant

Ce dispositif désigné par le sigle HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) conduit à l’appréciation du diamètre d’usure. La spécification du gazole européen (EN 590) prévoit un diamètre de marque d’usure (à 60°C) sur la bille inférieur à 460 µm.

00003_A_F

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30

C 6 -4/B

ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA TENUE AU FROID

On sait que l'abaissement de la température des produits pétroliers liquides conduit dans un premier temps à une augmentation de leur viscosité. Si le refroidissement se poursuit on constate l'apparition dans le liquide de très fines particules solides appelées cristaux. Dans les cas de produits limpides cela se traduit d'abord par la formation d'un trouble laiteux. La taille des cristaux augmente ensuite provoquant des agglomérats qui emprisonnent la phase liquide. Le produit devient ainsi pâteux et le phénomène s'aggravant, il finit par empêcher l'écoulement. Les problèmes posés par la tenue au froid des produits pétroliers conduisent à en distinguer 2 catégories : -

les produits réchauffés qui sont maintenus à une température suffisamment élevée pour éviter tout problème lié à la viscosité ou à l'apparition de cristaux : fuels lourds, bitumes, ...

-

les produits non réchauffés qui doivent permettre à l'utilisateur un emploi sans problèmes quelles que soient les conditions atmosphériques : carburéacteurs, gazole moteur, fuel-oil domestique, huiles de base, ...

Les problèmes de cristallisation concernent surtout une famille d'hydrocarbures, celle des paraffines et plus particulièrement les n-paraffines dont le tableau ci-dessous situe quelques températures de cristallisation. n-paraffines

Température de cristallisation (°C)

État physique à 20°C

nC 4H 10

- 138

L

nC 8H 18

- 57

L

nC 16H34

+ 18

L

nC 26H54

+ 56

S

nC 36H74

+ 76

S

nC 44H90

+ 86

S

Il s'agit là des valeurs très élevées comme le montre le tableau ci-après qui compare les températures de cristallisation d'hydrocarbures en C 26 appartenant à différentes familles chimiques.

00003_A_F

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31

Hydrocarbures en C26 nC 26 paraffine normale

C 6 -4/B Température de cristallisation (° C) + 56

iC 26 isoparaffines

- 40 à + 30

C 26 naphténiques

environ - 40

C 26 aromatiques

de - 60 à - 30

Les essais normalisés utilisés pour garantir les risques de cristallisation des paraffines sont les suivants : •

Point de trouble et d'écoulement -

Point de trouble (gazole - gazole pêche - fuel-oil domestique) Normes NF EN 23015 : 1994 - ASTM D 2500

-

Point d'écoulement (huiles de base - fuel-oil domestique) Normes N FT 60105, ISO 3016 - ASTM D 97

•

Température limite de filtrabilité (gazole - gazole pêche - gazole grand froid - fuel-oil domestique) Norme NF EN 116 : 1998

•

Point de disparition des cristaux dans les carburéacteurs (Jet A1) Normes NF M 07-048, ASTM D 2386

00003_A_F

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32

C 6 -4/B

DÉTERMINATION DES POINTS DE TROUBLE ET D’ÉCOULEMENT DES PRODUITS PÉTROLIERS

;yy;yyyyy y ; ;y;y ;; yy ;;;;; ;;;;; yyyyy ;;;;; yyyyy ;;;;; yyyyy ;y

• POINT DE TROUBLE : CLOUD POINT (NF EN 23015 : 1994)

L'échantillon est réchauffé au moins 15°C audessus du point de trouble supposé et introduit jusqu'au trait repère dans le tube à essai. Celui-ci est fermé avec le bouchon et on positionne le thermomètre tel qu'il touche le fond du tube.

Thermomètre

Le point de trouble est la température à laquelle apparaît un trouble distinct au fond du tube à essai.

D ANA 078 A

Liquide réfrigérant

On refroidit ensuite progressivement en utilisant des bains réfrigérants de plus en plus froids et on vérifie la limpidité du produit tous les degrés.

• POINT D’ÉCOULEMENT : POUR POINT (NF T 60-105) On introduit l'échantillon jusqu'au trait repère dans le tube à essai et on positionne le thermomètre comme l'indique le schéma ci-contre.

;yy;yyyyy y ; ;;;;; y; ; y ;; yy ;;;;; yyyyy yyyyy ;;;;; yyyyy ;;;;; ;y

On réchauffe ensuite l'échantillon avant de le refroidir progressivement avec des bains réfrigérants de plus en plus froids.

Thermomètre

On commence les mesures à une température de préférence multiple de 3°C et supérieure de 15°C au moins au point d'écoulement présumé et l'on examine le tube à essais toutes les fois que la température baisse de 3°C.

Le point d'écoulement est atteint si, dans ces conditions, la surface ne se déforme pas.

Liquide réfrigérant

D ANA 079 A

Dès que l'huile ne coule plus lorsque le tube est incliné, on maintient le tube à essai dans la p o s i t i o n horizontale pendant 5 secondes comptées au chronomètre.

Le point d'écoulement est la température indiquée à ce moment par le thermomètre augmentée de 3°C. 00003_A_F

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33

C 6 -4/B

DÉTERMINATION DE LA TEMPÉRATURE LIMITE DE FILTRABILITÉ — Norme NF EN 116 : 1998

Cette norme s'applique aux coupes et produits du type gazole moteur ou combustible pour les installations de chauffage domestique (Fuel-Oil domestique). La température limite de filtrabilité (T.L.F.) ou Cold Filter Plugging Point (C.F.P.P.) est la température la plus élevée à laquelle un volume déterminé de produit cesse de traverser en un temps limité un appareil de filtration normalisé quand il est soumis à un refroidissement dans des conditions normalisées. Elle a pour but d'évaluer la température la plus basse jusqu'à laquelle le produit peut s'écouler librement. Dans le cas des carburants pour moteur diesel la température déterminée est généralement proche de la température de défaillance en service. On constate par contre une marge de fonctionnement correcte pour le fuel-oil domestique. Le volume aspiré à travers le filtre métallique (dont la taille des mailles est de 45 µm) est de 20 ml. La T.L.F. est atteinte quand le temps d'aspiration du liquide devient supérieur à 60 secondes. Aspiration de 20 ml de produit liquide à travers un filtre à température fixe décroissante Répétition à chaque degré TLF atteinte si temps d'aspiration 1 mn

Atmosphère Vide dépression 20 mbar

Pipette Éprouvette

Cale annulaire

Bain réfrigérant (-34 °C) Jaquette

Ensemble de filtration

Ensemble de filtration 00003_A_F

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D ANA 080 A

Thermomètre

34

C 6 -4/B

DÉTERMINATION DU POINT DE DISPARITION DES CRISTAUX DANS LES CARBURÉACTEURS — Norme NF M 07-048 ou ASTM D 2386 –

Il s’agit d’un essai normalisé de simulation au cours duquel l’échantillon de carburéacteur est refroidi en étant agité comme il peut être dans les réservoirs d’un avion.

;yyy;;

Agitateur en laiton

Thermomètre

Joint d'étanchéité ou collier en laiton

Vase isolant

Liquide réfrigérant

D ANA 081 A

yy ;; yy ;; ;; yy ;; yy ;; yy

Tube à paroi

Le carburéacteur est refroidi dans l'appareillage ci-dessus en étant vigoureusement agité, simulant ainsi les conditions de refroidissement qui peuvent se rencontrer en vol. On note la température à laquelle des cristaux d'hydrocarbures apparaissent : c'est le POINT DE CRISTALLISATION. On retire alors le bain réfrigérant et on laisse le produit se réchauffer lentement en continuant l'agitation. On note la température correspondant à la disparition complète des cristaux : c'est le POINT DE DISPARITION DES CRISTAUX (ou FREEZING POINT). L'essai est valable si l'écart entre les 2 températures est inférieur à 3°C.

00003_A_F

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C 6 -4/B

IV - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE ET À LA CORROSION

Les composés soufrés présents dans les produits pétroliers sont les principaux responsables des problèmes de POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE et de CORROSION causés par les produits pétroliers.

1-

POLLUTION ET CORROSION PAR LE SOUFRE La combustion du soufre contenu dans les carburants et combustibles conduit à la formation d’oxyde de soufre gazeux SO2 . On estime que la génération de SO2 par ce processus de combustion génère dans le monde environ 60 millions de tonnes de SO2 par an soit plus que la production naturelle par les volcans et océans. Le SO 2 produit contribue essentiellement à la pollution urbaine et aux pluies acides. Compte tenu du danger qu’il présente pour la population et la végétation, la limitation définie par la réglementation européenne prévoit de situer aux alentours de 50 µg/m3 au maximum la teneur de SO2 dans l’atmosphère des zones urbaines. Plus spécifiquement le soufre présente des inconvénients en fonction de l’utilisation du produit : - le soufre dans les carburants contribue aux rejets d’oxyde de soufre. Il accroît la production de particules par les moteurs Diesel et surtout il constitue un frein à l’élimination des oxydes d’azote dans les échappements par les pots catalytiques - le soufre dans les combustibles est transformé lors de la combustion en SO2 mais aussi pour une faible partie en trioxyde de soufre SO 3 . Ce gaz est très solubles dans l’eau formant alors un acide très corrosif : L’ACIDE SULFURIQUE Pour éviter la corrosion des fours et chaudières utilisant des combustibles à forte teneur en soufre, il est nécessaire de rejeter à l’atmosphère des fumées de combustion à température suffisamment élevée pour éviter la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées et donc la formation d’acide sulfurique. Cela limite en conséquence la potentialité de récupération de chaleur sur ces fumées et réduit en conséquence le rendement thermique de ces installations de chauffe.

Composés soufrés présents dans - les combustibles - les carburants

COMBUSTION

SO2 SO3

Acide sulfurique H2SO4

00003_A_F

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D PCD 311 A

+ humidité

36

2-

C 6 -4/B

MÉTHODES DE MESURE ET LIMITATION Il existe plusieurs méthodes normalisées principales permettant de contrôler la teneur en soufre des produits pétroliers. Parmi ces dernières, on peut citer : -

les méthodes de fluorescence de rayon X dispersive en énergie ou en longueur d'onde (NF EN ISO 20807 ou NF EN ISO 20884)

-

la méthode de fluorescence ultraviolette (NF EN ISO 20846) particulièrement bien adaptée pour les très faibles teneurs en soufre

-

la méthode WICKBOLD (NF EN 24260) qui s'applique aux carburants-auto, au carburéacteur, au gazole moteur et au fuel-oil domestique

-

la méthode du FOUR À INDUCTION utilisée uniquement pour les fuels lourds

Dans ces deux derniers essais, un échantillon du produit pétrolier est brûlé, les gaz de combustion contenant les oxydes de soufres sont recueillis et par dosage chimique on peut déterminer la quantité de soufre que contenait l'échantillon. Les spécifications françaises actuelles (2005) concernant les principaux produits pétroliers figurent dans le tableau ci-dessous :

Produits Supercarburant sans plomb Jet A1

Teneur en soufre maximum % masse 0,005 0,001 % en 2009 0,3

Gazole moteur

Observations Évolutions probables

0,1 % en 2008/2010

0,005 0,001 % en 2009

Fuel oil domestique

0,2

0,1 % en 2008/2010

Fuels lourds n°2 n°2 BTS n°2 TBTS

4,0 2,0 1,0

à partir du 01/01/2003 ne peuvent être utilisés que dans des installations autorisées

00003_A_F

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C 6 -4/B

ÉPREUVE DE CORROSION DU CUIVRE PAR LES PRODUITS PÉTROLIERS ESSAI À LA LAME DE CUIVRE Norme NF EN ISO 2160 : 1998 et Norme NF M 041-007 pour les G.P.L.

y; yy ;; y; ;; yy ; y ;; yy ;; yy ;; yy

Certains composés soufrés agressifs sont présents dans les produits pétroliers.

PRINCIPE ET MODE OPÉRATOIRE

Vanne supérieure Couvercle démontable Ciel gazeux Tube d'immersion Niveau de liquide

Lame de cuivre

Le cuivre étant particulièrement sensible à la présence de ces composés corrosifs, on utilise une épreuve de CORROSION À LA LAME DE CUIVRE. Une lame de cuivre polie est immergée pendant une durée déterminée dans un échantillon du produit pétrolier maintenu à température fixée.

— Bombe d'essai —

CONDITIONS DE L'ESSAI

3 h dans un bain à 50°C 3 h dans un bain à 100°C 2 h dans une bombe à 100°C 1 h dans une bombe à 37,8°C (100°F)

D ANA 090 A

Vanne inférieure

PRODUITS Essences (sauf aviation) pétrole lampant, gazole White-Spirit Essence aviation, kérosène Gaz de pétrole liquéfiés.

La lame est ensuite retirée, rincée, séchée et comparée avec des lames corrodées types ou avec les indications données dans le tableau figurant ci-après. 00003_A_F

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CLASSIFICATION

C 6 -4/B

DÉSIGNATION DE LA LAME

DESCRIPTION

Fraîchement polie

1

2

Ternissement léger

Ternissement modéré

a-

Orangé, presque semblable à une lame fraîchement polie

b-

Orangé foncé

a-

Rouge bordeaux

b-

Lavande

c-

Colorations multiples avec bleu lavande et/ou argent sur rouge bordeaux

d-

Argenté

e-

Bronzé ou doré

a - Pellicule Magenta sur lame bronzée

3

4

Ternissement foncé

Corrosion

b - Colorations multiples avec présence de rouge et de vert (irisation) mais pas de gris a-

Noir transparent, gris foncé ou brun avec du vert irisé découvert

b-

Noir graphité ou mat

c-

Noir brillant ou noir jais

Ces classifications sont données dans un ordre de corrosivité croissante des échantillons.

RÉSULTATS On note la corrosivité de l'échantillon en relevant le numéro de la série des lames de référence ou encore celui de la description correspondante donnée par le tableau.

00003_A_F

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C 6 -4/B

DOCTOR TEST — Norme NF M 41-006 et Norme NF M 07-029 —

Cet essai appelé aussi au plombite de sodium et soufre a pour but de rechercher qualitativement la présence de l'hydrogène sulfuré (H 2S) et des mercaptans dans : -

le butane commercial (NF M 41-006) les produits liquides peu colorés ayant un point final de distillation ASTM inférieur à 300°C : white-spirit, coupes essences, carburéacteurs (NF M 07-029, ASTM 4952).

PRINCIPE ET MODE OPÉRATOIRE (cas du butane) • On verse dans un gros tube à essai un volume de 10 ml d'une solution de plombite de sodium, puis le tube est refroidi en faisant circuler un peu de butane à l'extérieur, le long du tube. • Quand le tube est froid on ajoute environ 20 ml de butane liquide. Il se forme 2 couches de liquide, la butane moins dense formant la couche supérieure. On ferme l'extrémité du tube avec le pouce et on l'agite pendant 15 secondes. • On ajoute ensuite un peu de fleur de soufre et l'on agite de nouveau pendant 15 secondes. • Après un repos d'une minute environ on observe la couleur de la solution de plombite et celle de la fleur de soufre.

RÉSULTATS L'essai est dit positif si la solution présente une coloration noire ou brun foncé ou si la couleur jaune du soufre est notablement masquée. L'essai est dit négatif si la solution n'a pas nettement changée de couleur et si la surface du soufre est jaune clair ou seulement colorée en gris avec de légers points noirs.

EN CONCLUSION DOCTOR TEST POSITIF :

-

présence d'H2S et/ou de mercaptans changement de couleur

DOCTOR TEST NÉGATIF :

-

très peu d'H2S et/ou de mercaptans (en général moins de 5 g par tonne) pas de changement de couleur.

-

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C 6 -4/B

V - ESSAIS NORMALISÉS LIÉS À LA STABILITÉ ET À LA NATURE CHIMIQUE

TENEUR EN GOMMES - PÉRIODE D'INDUCTION STABILITÉ DES CARBURANTS Les essences de craquage catalytique contiennent un pourcentage important d'oléfines et éventuellement une faible proportion de dioléfines, celles de craquage à la vapeur contiennent des pourcentages importants d'oléfines, de dioléfines et de composés styréniques. Ces produits sont moins stables chimiquement que les autres constituants des essences. En effet, au contact de l'oxygène dissous dans le carburant, des réactions chimiques s'initient et conduisent à une polymérisation de ces composés : c'est-à-dire à la réunion d'un certain nombre de molécules pour en former de nouvelles plus complexes qui apparaissent sous forme de dépôts et qu'on appelle "gommes".

1-

FORMATION DE GOMMES Elle a lieu en présence d'oxygène. D'abord très lente, elle s'accélère ensuite, le délai avant oxydation étant caractérisé par la mesure de la période d'induction du carburant. Favorisée par la présence d'oxygène dissous, elle est accélérée également par l'action de la chaleur et de la lumière. On peut retarder la formation des gommes par l'incorporation d'additifs.

2-

MÉTHODES DE MESURES NORMALISÉES • Gommes actuelles (NF EN ISO 6246 : 1998) Ce sont les gommes existant au moment de la mesure. Elles ne tiennent donc pas compte de celles qui pourraient se former lors d'un stockage prolongé du produit. La teneur en gomme actuelles est le résidu obtenu après soufflage d'air chaud (pendant 30 min) sur le produit (tous deux à 160°C environ pendant 30 min) et insoluble dans le n-heptane, elle s'exprime en mg pour 100 ml. • Stabilité à l'oxydation : Gommes potentielles - Période d'induction (NF EN ISO 7536 : 1996) Ces caractéristiques sont particulièrement importantes quand les produits doivent subir un stockage prolongé. La détermination des gommes potentielles se fait en réalisant un vieillissement rapide du carburant qui est placé dans une bombe sous pression d'oxygène (7 bar) à 100°C pendant 16 heures. La quantité de résidu obtenu après lavage au n-heptane permet de calculer la quantité de gommes potentielles. Parallèlement, la période d'induction correspond au temps à partir duquel on observe une chute de la pression d'oxygène qui correspond à une dégradation du produit. Pour le supercarburant sans plomb, la spécification de "stabilité à l'oxydation" impose une période d'induction supérieure ou égale à 360 minutes.

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C 6 -4/B

STABILITÉ À L'OXYDATION DES GAZOLES* — NF EN ISO 12205 : 1996 ou ASTM D 2274 — ** Cet essai a pour but de quantifier par vieillissement les précurseurs de sédiments et de gommes présents dans le gazole qui sont en particulier des composés insaturés instables issus des procédés de craquage. Les effets de cette présence de ces composants sont les suivants : -

formation importante de dépôts dans les stockages ou les circuits d'alimentation encrassement plus important des injecteurs ou des brûleurs contribution à une mauvaise combustion (et donc à des émissions plus fortes de polluants) par dégradation du carburant du fait d'une oxydation lente

• Le gazole (350 ml) préalablement filtré sous vide, placé dans une cellule d'oxydation, subit un vieillissement avec barbotage d'oxygène (débit O2 = 3 l/h), la cellule étant immergée dans un bain à 95°C pendant 16 heures. • Après refroidissement dans l'obscurité jusqu'à température ambiante, le contenu de la cellule est filtré sous vide dans un creuset ; cette dernière ainsi que le tube d'alimentation d'oxygène sont rincés à l'heptane normal et le solvant de rinçage filtré. • Après séchage (étuve à 100°C pendant 1 heure) du creuset, on détermine par pesée la teneur en sédiments (S). • La cellule et le tube à oxygène sont ensuite lavés par un mélange acétone/toluène (solvant de gommes) jusqu'à enlèvement de tous les dépôts. Après évaporation du solvant, on procède à la détermination des gommes (G) conformément à la norme NF M 07-004 (gommes actuelles : soufflage d'air chaud, lavage au n-C7). Alimentation en oxygène (3 l/h)

;; yy yyy ;;; ;; yy ;;; yyy ;;; yyy ;;; yyy ;;;; yyyy ;;;; yyyy yyyy ;;;; yyyy ;;;;

Condenseur

***

Eau La masse totale M des insolubles S+G après vieillissement est : M = 3,5 pour 100 ml de prise d'essai.

Eau

Durée 16 heures

* ** ***

Le résultat est exprimé en g/m3 (ce qui revient à multiplier M (exprimé en grammes) par 104).

95 °C

D ANA 082 A

Échantillon (350 ml)

Il est précisé que cette méthode ne donne des résultats représentatifs de la stabilité au stockage que si l'essai est effectué moins de 8 jours après la fabrication du gazole. Il faut noter qu'il y a une différence de porosité de membrane du filtre entre les 2 méthodes : NF : 20-40 µm ; ASTM : 0,8 µm La cellule d'oxydation est équipée d'un condenseur pour éviter les pertes par évaporation

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C 6 -4/B

TENEUR EN EAU ET SÉDIMENTS

• TENEUR EN EAU (NF T 60-113)

Elle doit être limitée à 1,5 % en masse dans les fuels lourds. Il s'agit là d'une limite qui se situe très au-dessus des valeurs habituelles constatées pour les fuels commerciaux. La teneur en eau est mesurée selon la norme NF T 60-113 (distillation à reflux en présence d'un solvant non miscible à l'eau et piégeage de l'eau). Il est à noter que si l'eau émulsionnée est généralement favorable à la combustion l'eau libre peut au contraire être très gênante.

• TENEUR EN EAU ET SÉDIMENTS (NF M 07-020)

La teneur en “eau et sédiments” est mesurée par centrifugation, elle s'applique essentiellement aux pétroles bruts. On l'appelle quelquefois BS&W (Bottom Sediment and Water). Le résultat de l'essai exprime en % volume la teneur en eau et sédiments de l'échantillon, il ne permet pas de fournir la teneur en eau indépendamment de la teneur en sédiments. Le terme “sédiments” désigne dans cet essai uniquement les impuretés solides et ne prend pas en compte les asphaltènes. En effet, la centrifugation de l'échantillon est réalisée en présence d'un volume de toluène égal à celui de la prise d'essai, assurant ainsi la mise en solution des asphaltènes.

Cette mesure de BS&W est d'une importance primordiale pour la comptabilisation des quantités de pétroles bruts effectivement réceptionnées.

00003_A_F

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C 6 -4/B

TENEUR EN ASPHALTÈNES — NF T 60-115 —

Les résidus sont constitués d'hydrocarbures lourds parmi lesquels certains ont une masse molaire très élevée, sont très riches en carbone et regroupent la plus grande partie des métaux comme le nickel et le vanadium. de nature chimique mal définie et très variable d'un brut à l'autre, ces composés sont appelés asphaltènes. Selon la norme NF T 60-115 on définit arbitrairement comme ASPHALTèNES la fraction d'un résidu précipitée aux conditions de l'essai par l'heptane normal mais soluble dans le toluène chaud ; de cette manière les asphaltènes ainsi définies ne comprennent pas le sédiments minéraux éventuellement présents dans le résidu. La composition d'un résidu peut être représentée comme suit :

RÉSIDU MALTÈNES milieu huileux

ASPHALTÈNES

Solubles dans le n-heptane

Insolubles dans le n-heptane

Le maintien en suspension des asphaltènes au sein des résidus est permis par la présence dans le milieu huileux des constituants présentant des caractéristiques communes à la fois aux asphaltènes et au reste du milieu huileux. Il s'agit d'hydrocarbures de masse molaire élevée et de nature aromatique marquée. La double affinité de ces constituants appelée RÉSINES pour les asphaltènes et les hydrocarbures de l'huile leur permet en quelque sorte de solubiliser les asphaltènes dans l'huile. Une représentation schématique de la structure des résidus est donnée sur le schéma suivant :

Huile Asphaltène

D CH 141 A

Résines

00003_A_F

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C 6 -4/B

Un résidu à l'échelle microscopique ne présente donc pas les caractéristiques d'une solution homogène, il s'agit d'un système colloïdal. La phase continue est constituée par les hydrocarbures de l'huile, on y distingue parfois les hydrocarbures Saturés (S) et les Aromatiques (A). La phase dispersée est composée, quant à elle, par des associations de résines et d'asphaltènes appelés micelles. On dit encore que les asphaltènes sont peptisés et cela conduit à une dispersion stable de ces derniers dans le résidu. Ces différents points apparaissent sur le tableau ci-après :

RÉSIDU MALTÈNES

ASPHALTÈNES

(milieu huileux) HUILE HC saturés + aromatiques

RÉSINES

ASPHALTÈNES

123 peptisés

Phase continue

Phase dispersée Micelles dispersées dans l’huile

Selon leur nature, liée au brut d'origine et aux traitements thermiques qu'ils ont pu subir, les asphaltènes des résidus sont plus ou moins facilement peptisables pour former des micelles. Le milieu huileux, de son côté, selon sa composition présente un pouvoir peptisant ou pouvoir solvant variable vis à vis des asphaltènes du résidu. Un résidu est stable et présente un aspect homogène, si ces asphaltènes sont entièrement dispersés dan la phase liquide sous forme de micelles. pour cela il faut bien sûr que le pouvoir solvant disponible des maltènes soit supérieur au pouvoir solvant requis par les asphaltènes. Si cette condition n'est pas remplie, le résidu est instable c'est-à-dire que la fraction d'asphaltènes non peptisée précipite et conduit à la formation de dépôts, on dit qu'il y a floculation du résidu.

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C 6 -4/B

TENEUR EN INSOLUBLES DES COMBUSTIBLES LIQUIDES — NF M 07-063 —

PRINCIPE Cet essai normalisé s'applique aux combustibles liquides, il consiste à mesurer quantitativement leur teneur en impuretés solides provenant d'une contamination (sel, sable, rouille, coke, fibres, débris, divers) ou d'une précipitation d'asphaltènes. La température de l'essai est de 100°C pour les fuels-oil dont la viscosité ne dépasse par 40 cSt à 100°C; pour les autres combustibles, il convient d'adapter la température au produit essayé en tenant compte de son point d'éclair et de sa viscosité.

MODE OPÉRATOIRE Une prise d'essai représentative de l'échantillon étudié est filtrée à 100°C à travers trois disques de microfibres de verre (WHATMANN GF/A) de caractéristiques bien définies et de masses connues. Après filtration complète de la prise d'essai, les disques sont soigneusement lavés avec successivement du dodécane pur et de l'heptane normal pur afin d'éliminer toutes traces d'hydrocarbures résiduelles. Les disques sont ensuite séchés dans une enceinte chauffante puis pesés. La différence entre les accroissements de masse des deux disques supérieurs, rapportée à la prise d'essai représente la teneur en insolubles de l'échantillon qui s'exprime en % masse.

SIGNIFICATION • Les résidus de distillation sont des produits stables, ils ont de très faibles teneurs en insolubles (0 à 0,05 % masse). • Les fuels craqués ont des teneurs en insolubles qui augmentent avec l'intensité du craquage qu'ils ont subi. Si la conversion est trop élevée lors du craquage thermique, la teneur en insolubles devient très élevée et le produit n'est plus stable. La spécification adoptée en Septembre 1986 pour les fuels lourds n° 2 commercialisés en France est de 0,25 % masse maxi.

00003_A_F

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46

C 6 -4/B

COULEUR - STABILITÉ DE COULEUR — NF T 60-104 —

La détermination de la couleur des gazoles s'effectue à l'aide d'un colorimètre. On compare par transparence un échantillon du liquide à des étalons de verre coloré. L'échelle varie de 0,5 à 8 par pas de 0,5 allant du plus clair au plus foncé. L'écart entre deux déterminations ne doit pas dépasser 0,5. Généralement les gazoles commerciaux sont d'une teinte jaune claire correspondant à 1 ou 2 dans l'échelle de couleur. Une couleur de 5 correspond à un aspect transparent brun-orangé.

Bien que la couleur soit sans incidence directe sur les qualités d'utilisation des gazoles, l'évolution de leur couleur lors de stockage prolongé, traduit le plus souvent une détérioration chimique du produit s'accompagnant souvent de la formation de "sédiments" et de "gommes". Cette détérioration est liée à la présence de composés hétérocycliques azotés de type indole et de composés aromatiques comportant une liaison oléfinique de type

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

00003_A_F

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6

6,5

7

7,5

8

D ANA 083 A

Il existe de nombreux tests de vieillissement accélérés des gazoles. Des additifs permettent d'améliorer la stabilité de couleur.

47

C 6 -4/B

VI - TESTS SPÉCIFIQUES AUX PRODUITS BITUMINEUX

PÉNÉTRABILITÉ DE L'AIGUILLE — ASTM D 537 - NF EN 1426 —

La dureté des produits bitumineux est obtenue en mesurant la profondeur (en dixième de millimètres) à laquelle pénètre une aiguille standard chargée dans le produit à une température donnée. Les spécifications sont établies, en général, sur un test durant 5 secondes à une température de 25°C. Plus la pénétration est faible, plus le produit est dur. Le test est utilisé pour classer les bitumes purs, mais il peut être également utilisé pour mesurer la consistance de la vaseline des paraffines ou des graisses en remplaçant l'aiguille par un système conique. PROCÉDURE Au début du test, l'aiguille est positionnée pour affleurer le produit. Lorsqu'on appuie sur le bouton, l'extrémité de l'aiguille pénètre dans le produit et la profondeur de pénétration est enregistrée sur un cadran en dixièmes de millimètres et lue au bout de 5 secondes. Exemples de bitumes purs : • 160 - 220 : pour bitumes très mous • 20 - 30 : pour bitumes très durs

y ; ;;; yyy

Poids de 100 g Pénétrabilité de l'aiguille 100 g 5 secondes

Boutonpoussoir

Échantillon de bitume

;;; yyy

Bain maintenu à 25 °C

D ANA 084 A

Aiguille

00003_A_F

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48

C 6 -4/B

POINT DE RAMOLLISSEMENT — ASTM D 36-76 - NF EN 1427—

Une bille d'acier est placée sur un anneau rempli de bitume. La bille et l'anneau sont ensuite chauffés progressivement dans un bêcher d'eau jusqu'à ce que le bitume se ramollisse suffisamment pour permettre à la bille de pousser le bitume à travers l'anneau jusqu'à un certain niveau. La température à laquelle cette position apparaît est appelée point de ramollissement. Un haut point de ramollissement indique que le bitume est très résistant à la chaleur. PROCÉDURE

Guide de centrage de la bille

Bille (3,5 g)

Plaque repère

Appareil à bille-anneau

Exemples • 35 à 43°C pour un bitume 160-220 • 55 à 63°C pour un bitume 20-30 Eau ou glycérine (si t > 80 ° C)

D ANA 085 A

;;; ;;; ;;;

L'eau est chauffée à une vitesse de 5°C/minute de telle façon que le bitume se ramollisse lentement et que la bille commence à s'enfoncer dans le bitume. Lorsque la bille touche le plateau situé en dessous, la température de ramollissement est atteinte.

Thermomètre

Bille calibrée

Les anneaux sont ensuite placés sur un support dans un bêcher d'eau et une bille d'acier est placée sur chacun des anneaux et bien centrée au moyen de guides.

;;; ;;; ;;; ;;; Ensemble monté

00003_A_F

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D ANA 089 A

Anneau

Deux anneaux standards sont remplis avec du bitume chaud. On laisse refroidir jusqu'à ce que le bitume soit resolidifié.

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

PRINCIPAUX CRITÈRES DE QUALITÉ ET SPÉCIFICATIONS DES PRODUITS PÉTROLIERS

C6

CARBURANTS AUTO Spécifications des carburants auto.......................................................................................................... 1 Problèmes d’utilisation liés à la volatilité.................................................................................................. 2 Fonctionnement du moteur à allumage commandé ................................................................................3 Dépollution des moteurs à allumage commandé par pot catalytique ...................................................... 4 Incorporation de composés oxygénés dans les carburants..................................................................... 5

CARBURÉACTEURS Principales spécifications des carburéacteurs .........................................................................................6 Utilisation du carburéacteur .....................................................................................................................7

GAZOLE MOTEUR, FUEL-OIL DOMESTIQUE Principales spécifications du gazole moteur et du fuel-oil domestique .................................................... 8 Utilisation des carburants pour moteur Diesel .........................................................................................9 DIESTER ...............................................................................................................................................10

FUELS LOURDS Principaux critères de qualité et spécifications des fuels lourds ............................................................ 11 Utilisation du fuel lourd : schéma de principe d’une installation ............................................................ 12 Diagramme de viscosité relatif aux fuels-lourds n°2..............................................................................13

PP CAC - 00005_B_F - Rév. 6

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05/04/2006

-4/C

1

C 6 -4/C

SPÉCIFICATIONS DES CARBURANTS AUTO

Supercarburant sans plomb 95 Norme européenne EN 228 PRESSION DE VAPEUR (PVSE) ET DISTILLATION Teneur en constituants légers Distillation ASTM :

VOLATILITÉ

20 % (22 % du 01/11 au 15/03) < vol. distillé à 70°C < 50 (48 % du 01/05 au 30/09) 46 % < volume distillé à 100°C < 71 % 75 % < volume distillé à 150°C Pression de Vapeur (PVSE) Hiver Été

60 kPa < PVSE < 90 kPa 45 kPa < PVSE < 60 kPa

01/11 - 15/03 01/05 - 30/09

Saisons intermédiaires

45 kPa < PVSE < 90 kPa 45 kPa < PVSE < 90 kPa

16/03 - 30/04 01/10 - 31/10

Teneur en constituants lourds Point final ASTM ≤ 210°C Résidu de distillation ≤ 2 % volume

INDICES D'OCTANE

COMBUSTION

IOR OU RON (essai à 600 tr/min) IOM ou MON (essai à 900 tr/min) • Corrosion lame de cuivre • Teneur en soufre

POLLUTION CORROSIVITÉ

≥ 95 ≥ 85 1 maxi

en 2009

≤ 0,005 % soit 50 g/t ≤ 0,001 % soit 10 g/t

• Teneur en benzène

≤ 1 % volume

• Teneur en aromatiques

35 % vol. maxi

• Teneur en oléfines

18 % vol. maxi

• Teneur en composés oxygénés (voir page 5)

STABILITÉ

• Teneur en gommes actuelles

≤ 5 mg/100 cm3

00005_B_F

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2

C 6 -4/C

PROBLÈMES D’UTILISATION DES CARBURANTS — Liés à leur volatilité —

Pertes Risque de vaporisation Air Essence Pompe

MOTEUR

Réservoir

Combustion Encrassement

Gaz d'échappement

Pot catalytique

Le carburant doit être suffisamment volatil pour : • favoriser le démarrage à froid • permettre une mise en action du moteur satisfaisante Il ne doit pas être trop volatil à cause : • des risques de vaporisation dans les circuits d'alimentation à chaud - calages - redémarrage difficile après arrêt • des pertes par évaporation Son point final doit être limité en raison • des difficultés de combustion des composés lourds • des risques d'encrassement de la chambre de combustion • des problèmes de dilution d'huile et d'usure moteur

00005_B_F

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D PPC 089 A

yy ;; ;; yy

Démarrage à froid

sans plomb

1 bar

Pression en bar

1

00005_B_F

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0°

PMH

10

20

30

180°

PMB

Fermeture SOUPAPE ADMISSION 2

40 Pression maximale

50

Avance à l'allumage

Allumage 3

360°

PMH

Combustion

PMB

Degrés du vilebrequin

atmosphérique

540°

Pression

4

720°

PMH

1

5

PMB : point mort bas

PMH : point mort haut

4e temps : Echappement sortie des gaz brûlés

Ouverture SOUPAPE ECHAPPEMENT

3e temps : Combustion et détente

D ANA 063 A

2e temps : Compression et allumage

allumage

PMH

Combustion normale

Piston

Mélange brûlé

Admis sion

Combustion avec cliquetis

allumage

PMH

Front de flamme Zone de cliquetis

nt ppeme Écha

D ANA 062 A D ANA 064 A

1er temps : Admission entrée air + essence

Bougie

3

C 6 -4/C

FONCTIONNEMENT DU MOTEUR À ALLUMAGE COMMANDÉ

4

C 6 -4/C

DÉPOLLUTION DES MOTEURS À ALLUMAGE COMMANDÉ PAR POT CATALYTIQUE

— Schéma de principe du système pot catalytique 3 voies + sonde λ — Débit d'air

Papillon Air

Arrivée d'essence Injecteur

Débit d'essence

MOTEUR

CALCULATEUR

Teneur en oxygène dans les gaz d'échappement

Sonde λ (mesure teneur en oxygène)

Vers pot catalytique

y ; yy ;; ;; yy

— Représentation du pot catalytique — Carter en inox

Réduction

Monolithes en céramique recouvertes d'alumine + oxyde de cérium + métaux précieux (2 à 3 g)

Feutre thermo-expansible d'étanchéité protégeant le corps en céramique

{

D MOT 016 A

yyyy ;;;; ;;;;;yyyy yyyyy ;;;; ;;;;;yyyy yyyyy ;;;; yyyy ;;;; ;;;;; yyyyy ;;;;; yyyyy

Gaz pollués

Oxydation

Corps en céramique

CO + Oxygène HC + Oxygène

→ →

CO2 (gaz carbonique) H2O + CO2

NOx – Oxygène

→

N2 (azote)

00005_B_F

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D MOT 017 A

RGE éventuel (RGE = Recyclage des gaz d'échappement)

00005_B_F

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289

95

85

10

Chaleur de vaporisation (kJ/kg)

RON

MON

Sensibilité 15 %

17

101*

118*

337

26260

15 %

16

101*

117*

321

26910

0,40

72,8

745

15 %

14

100*

114*

310

27375

0,10

84,5

750

C | C—C—C—O—C | C

TAME

* Valeurs moyennes en mélange (1) Pour éviter la démixtion méthanol-hydrocarbures en présence d’eau il faut ajouter des agents stabilisateurs (2) La teneur en eau doit être inférieure à 3000 ppm masse

Taux limite d’incorporation (% vol.)

32020

0,55

de 0,45 à 0,9 selon saison

TVR (bar)

Pouvoir calorifique PCI (kJ/kg)

55,2

30-190

Température d’ébullition (°C)

746

725-780

Masse volumique à 15°C (kg/m 3)

C | C—C—O—C—C | C

C | C—C—O—C | C

C 4 -C 10/11

ETBE

MTBE

Formule

SUPER CARBURANT

0,16 “2”

0,32 “3,7”

3 % (1)

30

96*

126*

1100

15870

5 % (2)

21

99*

120*

854

21285

Pression de vapeur apparente

78,3

794

C — C — OH

ÉTHANOL

64,7

796

C — OH

MÉTHANOL

5

C 6 -4/C

SPÉCIFICATIONS DES CARBURANTS AUTO

6

C 6 -4/C

PRINCIPALES SPÉCIFICATIONS DES CARBURÉACTEURS

≥ 38°C (ABEL)

POINT D'ÉCLAIR

Sécurité et pertes

VOLATILITÉ

Point final ≤ 300°C

• Distillation ASTM • Pouvoir calorifique

COMBUSTION

• Point de fumée

POINT DE DISPARITION DES CRISTAUX

TENUE AU FROID

• Viscosité • Indice de séparation de l'eau

POLLUTION CORROSIVITÉ

> 42 800 kJ/kg Contenu énergétique du carburant Rayon d'action > 25 mm Limiter le rayonnement de la flamme en garantissant un H/C minimum

< – 47°C Aptitude à rester liquide à basse température ≤ 8 cSt à – 20°C Pulvérisation aux brûleurs 1 b maxi Capacité à séparer l’eau

Limiter la teneur en composés corrosifs

ESSAIS DE CORROSION Lame de cuivre

1 maxi

• Teneur en soufre

< 0,3 % masse

• Teneur en gommes actuelles

< 7 mg/100 ml Éviter la formation de produits encrassants

STABILITÉ

• Stabilité thermique (JFTOT à 260°C)

∆P ≤ 25 mmHg Cotation tube < 3 max Ne pas subir de dégradation sous l’effet de la temfpérature

00005_B_F

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7

C 6 -4/C

UTILISATION DU CARBURÉACTEUR

;;;;; yyyyy yyyyy ;;;;; Soufflante

Compresseurs BP HP

Chambre de combustion

Turbines HP BP

Tuyère

Air soufflé

D MOT 018 A

yy ;;

Air de combustion

— TURBORÉACTEUR DOUBLE FLUX À SOUFFLANTE —

Préfiltre 20µm

Bac de réception 25 000 m3 Pompe 500 m3/h

Pipeline

Bac d'expédition 40 000 m3

Pompe Additifs doseuse

M.F.S. 2µ Oléoprise

Microfiltre 2µm Séparateur Pompe d'eau 300 m3/h

Vanne régulatrice de pression

Compteur

D PPC 091 A

Microfiltre 2µm Séparateur d'eau

— PRINCIPE DES INSTALLATIONS DE DÉPÔT ET DE CHARGEMENT DU CARBURÉACTEUR —

00005_B_F

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8

C 6 -4/C

PRINCIPALES SPÉCIFICATIONS DU GAZOLE MOTEUR ET FUEL-OIL DOMESTIQUE

Gazole Moteur Fuel oil domestique

GOM FOD

Couleur naturelle jaune pâle Couleur rouge

Le gazole moteur répond aux exigences de la norme européenne EN 590.

POINT D'ÉCLAIR

VOLATILITÉ

≥ 55°C sécurité

• Distillation ASTM : température 95 % distillé volume distillé à 250°C volume distillé à 350°C

INDICE DE CÉTANE

COMBUSTION

360°C maxi (pour GOM) < 65 % > 85 %

Aptitude à la combustion dans un moteur Diesel

GOM

IC mesuré ≥ 51

FOD

IC mesuré ≥ 40

IC calculé ≥ 46

La norme européenne prévoit 6 classes de TLF pour les climats tempérés (A à F) et 5 pour les climats arctiques (0 à 4).

TENUE AU FROID

La France utilise 3 classes “climat tempéré” (classes B, E et F), la troisième (classe F) correspondant au gazole grand froid (GOGF). • Température limite de filtrabilité

• Point de trouble

Empêcher le bouchage des filtres par des cristaux de paraffines GOM ≤ – 15°C l'hiver / 0°C l'été GOGF ≤ 20°C FOD ≤ – 4°C

GOM ≤ –5°C l’hiver/+ 5°C l’été FOD ≤ + 2°C

TENEUR EN SOUFRE Gazole moteur

POLLUTION CORROSIVITÉ

Fuel domestique

en 2009

maxi 0,005 % masse soit 50 g/t maxi 0,001 % soit 10 g/t maxi 0,2 % masse maxi 0,1 % masse en 2008

• Teneur en aromatiques polycycliques : maxi 11 % masse

00005_B_F

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9

C 6 -4/C

UTILISATION DES CARBURANTS — pour moteur Diesel —

teneur en eau acidité viscosité sédiments

ALIMENTION HAUTE PRESSION Jeux très faibles Lubrification - Usure

Injecteur

FILTRATION Colmatage - Pertes de charge point de trouble TLF teneur en eau Filtre

Pompe d'alimentation

STOCKAGE Corrosion - Stabilité - Sécurité point d'éclair acidité additifs

Pulvérisation et vaporisation indice de cétane POLLUANTS indice de cétane distillation teneur en soufre 80

Fin d'injection

40 30 20 10

100

50

Injection

400 à 600 °C

0 0

360

Angle de rotation vilebrequin

00005_B_F

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0 720

D PPC 049 A

50

Fraction brûlée (%)

TEMPÉRATURE DE L'AIR EN FIN DE COMPRESSION

Délai d'allumage

60

PMH

Moteur à préchambre 20 - 24

70

Début de combustion

Moteur à injection directe 14 à 17

Pression (bar)

Début d'injection

TAUX DE COMPRESSION

— CIRCUIT CARBURANT —

D MOT 019 A

COMBUSTION Pulvérisation et vaporisation viscosité distillation

Pompe d'injection

10

C 6 -4/C

DIESTER

DIESTER :

• Contraction de DIESel et esTER • Signifie ester d'huiles végétales

VOCATION :

Biocarburant pour moteur Diesel (5 à 10 % en poids)

MODE D'OBTENTION ET RENDEMENT • •

Extraction de l'huile à partir de productions végétales telles que le colza, le tournesol, le palme, le coprah, … Traitement de l'huile en présence d'un alcool (méthanol ou éthanol) = réaction de transestérification

Schéma de principe d'obtention d'esters méthyliques à partir de colza 1 t d'huile de colza

Ester méthylique de colza 1 t ou 1130 l

1t PROCÉDÉ D'ESTÉRIFICATION

Tourteau Méthanol

0,1 t Glycérine (0,1 t)

D PCD 310 A

1 hectare de Colza (2,7 t de grain)

CARACTÉRISTIQUES COMPARÉES du gazole, de l'huile de colza et de son ester méthylique Caractéristiques Densité à 15°C

(kg/l)

PCI volumique Viscosité

(kJ/l) à 20°C (cSt) à 50°C (cSt)

Température limite de filtrabilité (°C) Indice de cétane

Gazole

Huile de colza

Ester méthylique de colza

0,840

0,916

0,880

36000

34300

33175

3,80 à 8,52 1,5 à 3,0

78 26

7,5 3,7

– 2 à – 15

+ 20

– 12

48

32 à 36

48,7

PRIX DE REVIENT : 2 à 3 fois le prix de revient du gazole VALORISATION DE LA GLYCÉRINE (sous-produit) : Détergents, peintures glycérophtaliques, résines, encres d'imprimerie 00005_B_F

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11

C 6 -4/C

PRINCIPALES SPÉCIFICATIONS DES FUELS LOURDS

POINT D'ÉCLAIR

VOLATILITÉ

≥ 70°C (Luchaire) Sécurité au stockage Pouvoir calorifique

COMBUSTION

non spécifié, il diminue si la densité augmente et si le % soufre s’élève VISCOSITÉ

ÉCOULEMENT

< 40 cSt (mm2 /s) à 100°C

POMPABILITÉ

Contrainte de réchauffage pour le transfert depuis le stockage et pour la bonne pulvérisation au niveau du brûleur TENEUR EN SOUFRE

POLLUTION CORROSIVITÉ

4 % masse maxi pour le FO N° 2 HTS 2 % masse maxi pour le FO N° 2 BTS 1 % masse maxi pour le FO N° 2 TBTS 1 % masse maxi en 2003 en Europe (sauf dérogation) • Teneur en vanadium Corrosion vanadique • Teneur en Nickel Pollution TENEUR EN INSOLUBLES

STABILITÉ

≤ 0,25 % masse Contrôle de la bonne dispersion des asphaltènes

00005_B_F

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45

00005_B_F

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Filtre froid 500 µm

RÉCHAUFFEUR

FUEL LOURD N°2

STOCKAGE

Pression (bar abs.)

Circuit de gavage

Réchauffeur baïonnette

4

70

130

Filtre froid 250 µm

Circuits vers brûleur

Retour brûleur

Filtre chaud 125 µm

Pompe HP

25

BRÛLEUR

Réchauffeur

D PPC 103 A

Température (°C)

12

C 6 -4/C

UTILISATION DU FUEL LOURD — Schéma de principe d’une installation —

13

C 6 -4/C

DIAGRAMME DE VISCOSITÉ RELATIF AUX FUELS LOURDS N°2 Viscosité Engler cSt 1000 100 75 50 40

Étude expérimentale réalisée par le Bureau de Normalisation du Pétrole (1978)

750

VISCOSITÉ MOYENNE DE PULVÉRISATION

500

Mode de pulvérisation

400 300

- Mécanique - Mécanique et air BP

15 et 20 cSt

200

- Mécanique et assistance vapeur

20 et 25 cSt

- Coupelle rotative

60 et 70 cSt

30 25

Point de consigne entre :

20 15

10

EXEMPLE DE DÉTERMINATION DE LA TEMPÉRATURE DE PULVÉRISATION

110

Fuel lourd n°2

90 80

35 cSt à 100°C

- Viscosité recommandée au nez du brûleur

70

17 cSt

60 7,5

5

4

50 45

- Température de pulvérisation donnée par le diagramme

40

Ces valeurs sont purement indicatives. Il est recommandé à l'utilisateur de se référer aux valeurs précises fournies par les constructeurs et de déterminer la viscosité du fuel utilisé.

35 30

124°C

25 3

2,5

20 17 15 14 13

2

12 11 10

1,8 9 8 D PPC 2000 C

1,6 7 1,5 6 40

60 50

70

80

90

110 100

120 130 124

00005_B_F

 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

140

150 160 170 180 Température en °C

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C6

ACIDES BASES - pH

I - LES ACIDES ET LES BASES USUELS.................................................................................... 1 II - DANGERS PRÉSENTÉS PAR LES ACIDES ET LES BASES PRÉCAUTIONS D'UTILISATION .............................................................................................. 1 III - COMPOSITION DES SOLUTIONS D'ACIDES ET DE BASES................................................. 2 1 - Activité des solutions acides et basiques ...........................................................................................2 2 - Normalité des solutions acides ...........................................................................................................3 3 - Normalité des solutions basiques .......................................................................................................4

IV - PRINCIPALES PROPRIÉTÉS DES ACIDES ET DES BASES ................................................. 5 1 - Réaction acide / Base - Neutralisation ...............................................................................................5 2 - Notion de pH .......................................................................................................................................5 3 - Corrosion acide...................................................................................................................................7

V - MESURE DU pH........................................................................................................................ 8

BA CHG - 02143_A_F - Rév. 1

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13/07/2005

-5

C 6 -5

1

I-

LES ACIDES ET LES BASES USUELS Le tableau ci-dessous présente les principaux acides et bases rencontrés dans l'industrie pétrochimique et pétrolière. ACIDES Dénomination

BASES

Formule chimique

Dénomination

Formule chimique

HCl

Soude

NaOH

Acide sulfurique

H 2SO4

Potasse

KOH

Acide nitrique

H NO 3

Ammoniac

NH3

HF

Ammoniaque

NH4OH

Acide chlorhydrique

Acide fluorhydrique

R

Acide acétique

CH3COOH

Amines

Acide sulfhydrique (ou sulfure d'hydrogène)

H 2S

Chaux

Mercaptans

RSH

Acides naphténiques

NH R

Ca(OH)2

R – COOH (R = Naphtènes)

Le regroupement de ces produits chimiques en acides d'une part et bases d'autre part est possible dans la mesure ou le caractère acide se manifeste par un certain nombre de propriétés caractéristiques et qu'il en est de même pour le caractère basique. Ces propriétés apparaissent le plus souvent au sein de solutions aqueuses, c'est-à-dire dans des mélanges de ces composés avec de l'eau. S'ils ont des propriétés différentes, acides et bases ont toutefois un point commun : ce sont des produits dangereux car ils attaquent la peau et les tissus organiques.

II - DANGERS PRÉSENTÉS PAR LES ACIDES ET LES BASES - PRÉCAUTIONS D'UTILISATION Les effets des acides et des bases sur l'organisme sont les suivants : – à l'état de vapeur ou d'aérosols, leur action est surtout dangereuse sur les yeux et l'appareil respiratoire avec des effets pouvant aller de l'irritation des muqueuses jusqu'aux lésions profondes – à l'état liquide, les effets sur les yeux, la peau et l'appareil digestif (en cas d'ingestion), vont graduellement de la simple rougeur aux lésions en passant par l'irritation et la brûlure, les contacts répétés pouvant entraîner des dermites

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Du fait de leur danger, il convient d'être très prudent dans la manipulation de ces produits quelque en soit le type et la concentration. Les effets destructeurs sont d'autant plus rapides que les solutions sont plus concentrées. Il convient : – de porter nécessairement des gants et des lunettes de protection – d'adopter des mesures particulières en cas de solutions très concentrées telles que les oléums ou les lessives, et de porter • • • • • •

une visière, voire une cagoule des gants spéciaux (en néoprène ou polyéthylène, ...) des bottes ajustées sous le pantalon de travail un tablier ou une combinaison antiacide ou même un scaphandre spécialement étudié (cas des unités d'alkylation à l'acide fluorhydrique concentré)

– en cas de projection lavage abondant à l’eau pendant 1/4 d’heure – pour diluer une solution ; de toujours verser lentement l'acide ou la base dans l'eau et non l'inverse.

III - COMPOSITION DES SOLUTIONS D'ACIDES ET DE BASES 1 - ACTIVITÉ DES SOLUTIONS ACIDES ET BASIQUES L'eau pure est un composé neutre dont l'acidité ou la basicité apparaît avec la dissolution en phase aqueuse des composés acides ou basiques. On obtient alors une solution dont l'activité acide ou basique dépend : – de sa concentration, qui exprime la quantité de composés dissous dans l'eau. Celle-ci peut être traduite par différents moyens : pourcentage masse (% masse), concentration massique (g/l), densité ou degré Beaumé (° Bé). Des tableaux et planches donnent les correspondances entre ces différentes valeurs. Toutefois, l'expression représentant le mieux l'activité acide ou basique d'une solution est sa normalité – de la nature de l'acide ou de la base. Certains composés sont plus réactifs que d'autres, ce qui conduit à distinguer des acides forts et des acides faibles et de même des bases fortes et des bases faibles Ainsi HCl, H2SO4, H NO3 et HF, sont des acides très réactifs. L'acide acétique, par contre est un acide faible. Toutefois un acide faible comme H2S peut néanmoins être très dangereux s'il est utilisé dans des conditions où son activité, même faible, est opérante. En ce qui concerne les bases, soude et potasse sont les plus fortes, alors que les amines sont des bases faibles

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2 - NORMALITÉ DES SOLUTIONS ACIDES En solution les molécules des acides se dissocient en parties chargées électriquement ou ions. Parmi ceux-ci, on trouve un ou plusieurs ions hydrogène H+, qui sont les responsables du caractère acide, et un autre ion (négatif) caractéristique de la nature de l'acide. On dit qu'une solution d'acide est Normale (1 N) quand elle contient une mole d'ions hydrogène par litre de solution. La masse atomique de l'hydrogène étant H = 1, ceci revient à dire qu'une solution normale d'acide contient 1 g d'ion H+/litre. • Acide chlorhydrique (HCl) en solution dans l'eau

en masse

H+ + 1 mol d'ions hydrogène 1g

HCl 1 mol 36,5 g

Cl– 1 mol d'ions chlorure 35,5 g

La solution normale (1N) contient donc 36,5 g d’acide par litre de solution. Par extension, une solution qui contient : • 2 x 36,5 g d'HCl par litre est 2 fois normale ou 2 N •

N 36,5 g soit 3,65 g d'HCl par litre est déci-normale ou 10 10

• Acide nitrique (HNO3) en solution d'eau

en masse

H NO 3

H+

1 mol 63 g

1 mol d'ions hydrogène 1g

–

+

NO 3 1 mol d'ions nitrate 62 g

La solution 1 N d'acide nitrique contient 63 g/l d'acide pur. • Acide sulfurique (H2SO4) en solution

en masse

H 2SO4

2H +

1 mol 98 g

2 mol d'ions hydrogène 2g

-SO4

+

1 mol d'ions sulfate 96 g

La solution contenant 98 g d'H2SO4/l (solution 1 M ou molaire) libère 2 ions hydrogène H+ par litre et est donc 2 fois Normale ou 2 N. La concentration d'une solution 1 N d'acide sulfurique est de 49 g d'H 2SO4/l. La normalité d'une solution dont la concentration est de 245,9 g/l est : 245,9 x 2 = 5,02 N 98 02143_A_F

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3 - NORMALITÉ DES SOLUTIONS BASIQUES En solutions aqueuses, les bases se dissocient également en 2 types d'ions, dont l'un est l'ion hydroxyde OH– qui lui donne sont caractère basique ; l'autre étant déterminé par la nature de la base. Une solution basique Normale contient une mole d'ion OH– par litre, soit en masse 16 + 1 = 17 g de cet ion par litre. • La soude (NaOH) en solution

en masse

NaOH 1 mol 40 g

OH – + 1 mol d'ions hydroxyde 17 g

Na + 1 mol d'ions sodium 23 g

Une solution de soude à 40 g/l contient 17 g de l'ion OH– par litre, elle est donc Normale (1 N). 157,9 = 3,95 moles de NaOH/l soit 40 3,95 ions OH – par litre, elle est donc 3,95 fois Normale (3,95 N).

Une solution à 157,9 g/l de NaOH contient

• La potasse (KOH) en solution

en masse

KOH 1 mol 56 g

OH – + K + (ion potassium) 1 mol d'ions hydroxyde 1 mol d'ions potassium 17 g 39 g

La solution 1 N contient 56 g de potasse pure par litre, une solution centi-normale ou contient 0,56 g/l de KOH.

N 100

• La chaux Ca (OH)2 en solution

en masse

Ca(OH)2 1 mol 74 g

2 OH– + 2 mol d'ions hydroxyde 34 g

Ca ++ 1 mol d'ions calcium 40 g

Une solution 1 N contiendra donc 37 g/l de chaux pure. Il faut noter que ces raisonnements ne sont rigoureux que pour les acides et les bases dits "forts" de la chimie minérale. En effet, les acides "faibles", comme l'acide acétique, ne se dissocient pas totalement dans l'eau.

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IV - PRINCIPALES PROPRIÉTÉS DES ACIDES ET DES BASES 1 - RÉACTION ACIDE / BASE - NEUTRALISATION Les acides présentent avec les bases une réaction chimique qui conduit à la formation d'un nouveau composé chimique appelé sel et d'eau. De plus cette transformation chimique se fait avec un dégagement de chaleur. L'expression générale de cette réaction est : SEL + EAU + Chaleur

ACIDE + BASE Exemples : H Cl +

Na OH

Na Cl

Acide chlorhydrique

Soude

Chlorure de sodium

H2S Hydrogène sulfuré

+

2 KOH

K2S

Potasse en solution

Sulfure de potassium

+

H2O

+

Chaleur

+

Chaleur

Eau

+

2 H 2O Eau

Ces réactions montrent qu'il est possible d'éliminer un acide en le traitant par une base et inversement. On peut ainsi faire disparaître le caractère acide ou basique d'une solution en ajoutant, selon le cas, la quantité de base ou d'acide juste nécessaire pour qu'en final on ne se trouve en présence que d'un sel, produit neutre ni acide ni basique. Cette opération s'appelle une neutralisation. Elle est assez délicate à conduire car il est évident que si l'on neutralise une solution acide par une trop grande quantité de solution basique, on obtient en final une solution contenant un sel et une base, c'est-à-dire possédant le caractère basique. Ainsi lors de la projection d’un acide ou d’une base sur la peau il n’est pas possible d’envisager la neutralisation. Le lavage à grande eau reste le moyen le plus courant. Néanmoins, de plus en plus couramment on utilise la Diphotérine (nom commercial) pour “neutraliser” les brûlures chimiques et basiques. Cette solution aqueuse contient un absorbant amphotère, c’est-à-dire une molécule multisites possédant des ions H+ et OH– et donc capable d’attirer les bases et les acides. OH-

H+

OHBase

"Diphotérine"

H+ Acide

D CH 1691 A

OH-

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2 - NOTION DE pH Le souci d'utiliser des solutions dont l'acidité ou la basicité sont contrôlées, a conduit à définir un moyen de mesure très utilisé dans la pratique : le pH. Le pH peut être considéré comme la mesure de l'acidité ou de la basicité d'une solution. L'étendue des valeurs du pH dans les cas les plus courants va de 1 à 14 . A 25 °C le pH de l'eau pure est égal à 7. 7 est donc le pH des solutions neutres. Les solutions acides ont un pH inférieur à 7, les solutions basiques ont un pH supérieur à 7. L'acidité augmente quand le pH diminue et il en est de même pour la basicité quand le pH augmente. Le schéma suivant résume les propriétés du pH.

2

3

4

5

6

7

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10

11

SOLUTIONS ACIDES

SOLUTIONS BASIQUES

ACIDITÉ CROISSANTE (un point de pH de moins = 10 fois plus acide)

BASICITÉ CROISSANTE (un point de pH de moins = 10 fois plus basique)

SOLUTION NEUTRE (pH de l'eau pure)

12

13

14

D PCD 714 A

1

Un moyen de repérer rapidement le pH d'une solution est d'utiliser un papier pH. Celui-ci possède la propriété de prendre une couleur différente selon le pH de la solution dans laquelle on le plonge. La lecture du pH se fait par comparaison avec une série de couleurs étalons. Le pH est un moyen très pratique de contrôle de l'acidité ou de la basicité de nombreuses eaux industrielles. Il en est ainsi par exemple : – – – – –

des eaux de rejet pH 5,5 à 8,5 des eaux de "sourwater" pH > 5,5 des eaux de chaudière pH 9 à 11 des eaux de réfrigération de certaines eaux de procédé

Certaines eaux trop acides doivent être neutralisées par addition d'une base et au contraire des injections d'acides sont nécessaires dans certains cas pour neutraliser une basicité excessive.

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7

3 - CORROSION ACIDE Les acides attaquent généralement les métaux ferreux. La réaction chimique conduit à la formation d'un sel métallique et au dégagement d'hydrogène gazeux. Au contraire les bases n'attaquent pas directement les métaux mais elles peuvent être les responsables de problèmes métallurgiques. La réaction chimique acide-métal se traduit par l'équation générale suivante : Acide

+

Métal

Sel métallique

+

Hydrogène gazeux

Fe Fer

Fe Cl2 Chlorure de fer

+

H2 Hydrogène gazeux

Fe Fer

FeS Sulfure de fer

+

H2 Hydrogène gazeux

Exemples : • Attaque du fer par l'acide chlorhydrique 2 HCl + Acide chlorhydrique • Attaque du fer par H2S H 2S + Acide sulfurhydrique

Ces réactions, si elles se produisent dans le unités de fabrication conduisent à une corrosion acide qui peut être très dommageable pour le matériel. Des cas de corrosion acide typique sont : – la corrosion par H2S et HCl dans les distillations atmosphériques – la corrosion par les acides naphténiques – la corrosion par l'acide sulfurique formé par condensation de fumées issues des fours et chaudières – ...

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V-

MESURE DU pH La notion du pH est liée à celle de l’acidité, c’est-à-dire à l’activité des ions H 3O+. Une chaîne de mesure comprend deux électrodes plongées toutes les deux dans la solution à mesurer : – une électrode de référence (dont le potentiel doit rester constant) – une électrode de mesure en verre qui ne répond qu’à l’activité de l’ion hydrogène dans la solution – une électronique qui recueille le signal électrique (une tension), l’amplifie et le convertit en unité pH Dans beaucoup de systèmes pour les mesures industrielles en ligne, les électrodes de référence et de mesure sont combinées dans un même ensemble qui peut comprendre aussi une sonde de température (pour la compensation automatique de ce facteur d’influence).

Sortie 4-20 mA TRANSMETTEUR

AMPLIFICATEUR Électrode indicatrice

Électrode de référence Sonde de température (éventuellement)

D ANA 1019 A

PROCÉDÉ

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CONCENTRATION ET DENSITÉ DES LESSIVES DE SOUDE d'après "International Critical Tables"

% MASSE DE SOUDE

20 DENSITÉ d 4

DEGRÉ BAUMÉ *

GRAMMES DE SOUDE PAR LITRE

1 2 3 4 5

1,0095 1,0207 1,0318 1,0428 1,0538

1,4 2,9 4,5 6,0 7,4

10,10 20,41 30,95 41,71 52,69

6 7 8 9 10

1,0648 1,0758 1,0869 1,0979 1,1089

8,8 10,2 11,6 12,9 14,2

63,89 75,31 86,95 98,91 110,9

12 14 16 18 20

1,1309 1,1530 1,1751 1,1972 1,2191

16,8 19,2 21,6 23,9 26,1

135,7 161,4 188,0 215,5 243,8

22 24 26 28 30

1,2411 1,2629 1,2848 1,3064 1,3279

28,2 30,2 32,1 34,0 35,8

273,0 303,1 334,0 365,8 398,4

32 34 36 38 40

1,3490 1,3696 1,3900 1,4101 1,4300

37,5 39,1 40,7 42,2 43,6

431,7 465,7 500,4 535,8 572,0

42 44 46 48 50

1,4494 1,4685 1,4873 1,5065 1,5253

45,0 46,3 47,5 48,8 49,9

608,7 646,1 684,2 723,1 762,7

* Degré BAUMÉ : ° B = 145 –

145 et 20 d4

20 d4 =

145 145 – °B

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10

1

45

5

10

15

20

25

30

35

40

45 ° Baumé

% masse de soude

50

RELATION DENSITÉ - % MASSE DE SOUDE — Des solutions de soude —

40

35

30

25

20

15

10

20

densité d 4 0 1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

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1,40

1,45

1,50

D CH 2015 A

5

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5

0

10

15

20

50

100

150

RELATION g/l DE SOUDE - % DE SOUDE — Des solutions de soude —

200

Gramme de soude par litre 250

11

C 6 -5

% masse de soude

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CONCENTRATION ET DENSITÉ DES LESSIVES DE POTASSE d'après "International Critical Tables "

% MASSE DE POTASSE

15 DENSITÉ D4

DEGRÉ BAUMÉ

GRAMMES DE POTASSE PAR LITRE

1 2 3 4 5

1,0083 1,0175 1,0267 1,0359 1,0452

1,2 2,5 3,8 5,0 6,3

10,08 20,35 30,80 41,44 52,26

6 7 8 9 10

1,0544 1,0637 1,0730 1,0824 1,0918

7,5 8,7 9,9 11,0 12,2

63,26 74,46 85,84 87,42 109,2

12 14 16 18 20

1,1108 1,1299 1,1493 1,1688 1,1884

14,5 16,7 18,8 20,9 23,0

133,3 158,2 183,9 210,4 237,7

22 24 26 28 30

1,2083 1,2285 1,2489 1,2695 1,2905

25,0 27,0 28,9 30,8 32,6

265,8 294,8 324,7 355,5 387,2

32 34 36 38 40

1,3117 1,3331 1,3549 1,3769 1,3991

34,5 36,2 38,0 39,7 41,4

419,7 453,3 487,8 523,2 559,6

42 44 46 48 50

1,4215 1,4443 1,4673 1,4907 1,5143

43,0 44,6 46,2 47,7 49,2

597,0 635,5 675,0 715,5 757,2

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CONCENTRATION ET DENSITÉ DES SOLUTIONS D'ACIDE CHLORHYDRIQUE

% MASSE d’HCl

DENSITÉ à 20°C

CONCENTRATION g d’HCl/l

0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

1.0007 1.0031 1.0056 1.0081 1.0105 1.0130 1.0154 1.0179 1.0204 1.0228

5,0 10,0 15,1 20,2 25,3 30,4 35,5 40,7 45,9 51,1

5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00

1.0253 1.0278 1.0302 1.0327 1.0352 1.0377 1.0401 1.0426 1.0451 1.0476

56,4 61,7 67,0 72,3 77,6 83,0 88,4 93,8 99,3 104,8

11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00

1.0526 1.0576 1.0626 1.0676 1.0726 1.0777 1.0828 1.0878 1.0929 1.0980

115,8 126,9 138,1 149,5 160,9 172,4 184,1 195,8 207,7 219,6

22,00 24,00 26,00 28,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00 40,00

1.1083 1.1185 1.1288 1.1391 1.1492 1.1594 1.1693 1.1791 1.1886 1.1977

243,8 268,4 293,5 318,9 344,8 371,0 397,6 424,5 451,7 479,1

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CONCENTRATION ET DENSITÉ DES SOLUTIONS D’ACIDE SULFURIQUE

DENSITÉ à 20°C 1,0051 1,0118 1,0184 1,0250 1,0317 1,0385 1,0453 1,0522 1,0591 1,0661 1,0731 1,0802 1,0874 1,0947 1,1020 1,1094 1,1168 1,1243 1,1318 1,1394 1,1471 1,1548 1,1626 1,1704 1,1783 1,1862 1,1942 1,2023 1,2104 1,2185 1,2267 1,2349 1,2432 1,2515 1,2599 1,2684 1,2769 1,2855 1,2941 1,3028 1,3116 1,3205 1,3294 1,3384 1,3476 1,3569 1,3663 1,3758 1,3854 1,3951

% MASSE H2 SO4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

g H2 SO4 / litre 10,05 20,24 30,55 41,00 51,59 62,31 73,17 84,18 95,32 106,6 118,0 129,6 141,4 153,3 165,3 177,5 189,9 202,4 215,0 227,9 240,9 254,1 267,4 280,9 294,6 308,4 322,4 336,6 351,0 365,6 380,3 395,2 410,3 425,5 441,0 456,6 472,5 488,5 504,7 521,1 537,8 554,6 571,6 588,9 606,4 624,2 642,2 660,4 678,8 697,6

DENSITÉ à 20°C 1,4049 1,4148 1,4248 1,4350 1,4453 1,4557 1,4662 1,4768 1,4875 1,4983 1,5091 1,5200 1,5310 1,5421 1,5533 1,5646 1,5760 1,5874 1,5989 1,6105 1,6221 1,6338 1,6456 1,6574 1,6692 1,6810 1,6927 1,7043 1,7158 1,7272 1,7383 1,7491 1,7594 1,7693 1,7786 1,7872 1,7951 1,8022 1,8087 1,8144 1,8195 1,8240 1,8279 1,8312 1,8337 1,8355 1,8364 1,8361 1,8342 1,8305

% MASSE H2 SO4 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

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g H2 SO4 / litre 716,5 735,7 755,1 774,9 794,9 815,2 835,7 856,5 877,6 899,0 920,6 942,4 964,5 986,9 1010 1033 1056 1079 1103 1127 1152 1176 1201 1226 1252 1278 1303 1329 1355 1382 1408 1434 1460 1486 1512 1537 1562 1586 1610 1633 1656 1678 1700 1721 1742 1762 1781 1799 1816 1831

C 6 -5

15

CONCENTRATION ET DENSITÉ DES SOLUTIONS D’ACIDE PHOSPHORIQUE

Densité Degrés Baumé 1.874 1.870 1.860 1.850 1.840 1.830 1.820 1.810 1.800 1.790 1.780 1.770 1.760 1.750 1.740 1.730 1.720 1.710 1.700 1.690 1.680 1.670 1.660 1.650 1.640 1.630 1.620 1.610 1.600 1.590 1.580 1.570 1.560 1.550 1.540 1.530 1.520 1.510 1.500 1.490 1.480 1.470 1.460 1.450

67,3 67,1 66,7 66,3 65,9 65,5 65,0 64,6 64,1 63,7 63,2 62,8 62,3 61,8 61,4 60,9 60,4 59,9 59,4 58,9 58,4 57,9 57,4 56,9 56,3 55,8 55,2 54,7 54,1 53,6 53,0 52,4 51,8 51,2 50,6 50,0 49,4 48,7 48,1 47,5 46,8 46,1 45,5 44,8

100 grammes contiennent

1 litre contient en grammes

H3PO4

P2O5

H3PO4

P2O5

100,0 99,7 99,0 98,2 97,5 96,7 95,9 95,1 94,3 93,5 92,6 91,7 90,8 90,0 89,1 88,2 87,4 86,5 85,6 84,8 83,9 83,0 82,1 81,2 80,3 79,4 78,6 77,6 76,7 75,8 74,8 73,9 73,0 72,0 71,0 70,1 69,1 68,2 67,2 66,2 65,3 64,3 63,3 62,3

69,0 68,8 68,3 67,8 67,3 66,7 66,2 65,6 65,1 64,5 63,9 63,3 32,7 62,1 61,5 60,9 60,3 59,7 59,1 58,5 57,9 57,3 56,7 56,0 55,4 54,8 54,3 53,6 52,9 52,3 51,6 51,0 50,4 49,7 49,0 48,4 47,7 47,1 46,4 45,7 45,1 44,4 43,7 43,0

1.874 1.864 1.841 1.817 1.794 1.769 1.745 1.721 1.692 1.674 1.648 1.623 1.598 1.575 1.550 1.526 1.503 1.479 1.455 1.433 1.410 1.386 1.363 1.340 1.317 1.294 1.273 1.249 1.227 1.205 1.182 1.160 1.139 1.116 1.093 1.073 1.050 1.030 1.008 986 966 945 914 903

1.293 1.287 1.270 1.254 1.238 1.221 1.205 1.187 1.172 1.155 1.137 1.115 1.104 1.087 1.070 1.054 1.037 1.021 1.005 989 973 957 941 924 909 893 880 863 846 832 815 801 786 770 755 741 725 711 696 681 667 653 638 624

Densité Degrés Baumé 1.440 1.430 4.420 1.410 1.400 1.390 1.380 1.370 1.360 1.350 1.340 1.330 1.320 1.310 1.300 1.290 1.280 1.270 1.260 1.250 1.240 1.230 1.220 1.210 1.200 1.190 1.180 1.170 1.160 1.150 1.140 1.130 1.120 1.110 1.100 1.090 1.080 1.070 1.060 1.050 1.040 1.030 1.020 1.010

44,1 43,4 42,7 42,0 41,2 40,5 39,7 39,0 38,2 37,4 36,6 35,8 35,0 34,2 33,3 32,4 31,6 30,7 29,8 28,9 27,9 27,0 26,0 25,0 24,1 23,7 22,0 21,0 19,9 18,9 17,7 16,6 15,5 14,3 13,1 11,9 10,7 9,4 8,2 6,9 5,6 4,2 2,8 1,4

100 grammes contiennent

1 litre contient en grammes

H3PO4

P2O5

H3PO4

P2O5

61,2 60,2 59,1 58,0 56,9 55,8 54,7 53,6 52,3 51,4 50,2 49,0 47,9 46,6 45,4 44,2 43,0 41,7 40,4 39,2 37,9 36,6 35,2 33,9 32,5 31,2 29,7 28,2 26,8 25,4 23,8 22,3 20,8 19,2 17,6 16,0 14,3 12,6 10,9 9,20 7,45 5,67 3,84 1,95

42,2 41,6 40,8 40,0 39,3 38,5 37,8 37,0 36,1 35,5 34,7 33,8 33,1 32,2 31,3 30,5 29,7 28,8 27,9 27,1 26,2 25,3 24,3 23,4 22,4 21,5 20,5 19,5 18,5 17,5 16,4 15,4 14,4 13,3 12,1 11,0 9,87 8,70 7,52 6,35 5,14 3,91 2,65 1,35

881 861 839 818 797 776 755 734 711 694 673 652 632 610 590 570 550 530 509 490 470 450 429 410 390 371 350 330 311 292 271 252 233 213 194 174 154 135 115 97 77 58 39 20

608 595 579 564 550 535 522 507 491 479 465 450 437 422 407 393 380 366 352 339 327 311 296 283 269 256 242 228 215 201 187 174 161 148 133 120 107 93 80 67 53 40 27 14

02143_A_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

ÉLÉMENTS DE CHIMIE - PRODUITS

C6

RÉACTIONS CHIMIQUES Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - ÉTUDE EXPÉRIMENTALE D’UNE RÉACTION CHIMIQUE : LA SYNTHÈSE DE L’EAU........ 1 II - INTERPRÉTATION DE LA RÉACTION CHIMIQUE À L’ÉCHELLE MOLÉCULAIRE ............... 2 III - REPRÉSENTATION D’UNE RÉACTION CHIMIQUE PAR UNE ÉQUATION .......................... 3 1 - Écriture de l’équation chimique .....................................................................................................3 2 - Équilibrage d’une réaction chimique .............................................................................................4

IV - UTILISATION DE L’ÉQUATION CHIMIQUE............................................................................. 6 1 - Exemple de la combustion du propane.........................................................................................6 2 - Pouvoir comburivore .....................................................................................................................7

V - CARACTÉRISTIQUES D’UNE RÉACTION CHIMIQUE............................................................ 8 1 2 3 4 5

-

Chaleur de réaction .......................................................................................................................8 Pouvoir calorifique.........................................................................................................................9 Variation du nombre de moles entre réactifs et produits ............................................................ 12 Amorçage de la réaction chimique : énergie d’activation ............................................................ 13 Liaisons entre ces caractéristiques et la prévision du comportement d’une réaction chimique .............................................................................................................. 14

BA CHG - 01169_B_F - Rév. 3

Ce document comporte 15 pages

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13/07/2005

-6/A

C 6 -6/A

1

Sous l’influence de facteurs divers tels que la chaleur, la pression, etc. la matière peut subir des transformations mettant en jeu des modifications plus ou moins profondes des espèces chimiques qui la compose. Dans ces transformations on observe la rupture de liaisons existant entre certains atomes et la formation de nouvelles liaisons. Ces transformations sont appelées des réactions chimiques.

I -

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE D’UNE RÉACTION CHIMIQUE : LA SYNTHÈSE DE L’EAU Cette réaction peut être réalisée dans un eudiomètre. C’est un tube gradué, en verre épais, traversé à sa partie supérieure par deux fils métalliques soudés dans le verre. On peut faire jaillir une étincelle électrique entre les extrémités de ces deux fils, à l’intérieur du tube. L’eudiomètre est rempli de mercure et retourné sur une cuve contenant également du mercure. On introduit alors 20 cm3 d’oxygène pur et 20 cm3 d’hydrogène. Le mélange gazeux ne réagit pas spontanément. Si l’on fait jaillir une étincelle électrique il se produit une détonation et le mercure, d’abord refoulé, remonte rapidement dans le tube. On constate que le niveau de mercure se stabilise et qu’il ne reste plus que 10 cm3 de gaz ; de la buée s’est également déposée sur la paroi interne de l’eudiomètre : elle provient de la condensation de la vapeur d’eau qui s’est formée lors de la réaction. On met facilement en évidence que le gaz restant qui n’a pas réagi est de l’oxygène pur.

Buée 10

Mélange 20 cm3 Oxygène + 20 cm3 Hydrogène

20 30

10 cm3 Oxygène

20 30 40

Réaction chimique

50

État initial

50

État final

D CH 1012 A

40

10

Ainsi, 20 cm3 d’hydrogène et 10 cm3 d’oxygène ont disparu et il s’est formé de l’eau. On peut en conclure que : “l’hydrogène et l’oxygène réagissent dans la proportion de deux volumes d'hydrogène et d’un volume d’oxygène pour former de l’eau”. Par contre, il est très difficile de déterminer avec précision la masse d’eau formée. En effet, on a fait réagir que de très faibles quantités de gaz et les quelques milligrammes d’eau formée n’ont fourni qu’un peu de buée sur les parois. L’interprétation de l’expérience au niveau moléculaire va permettre de déterminer les quantités de matière mises en jeu dans la réaction sans pour cela réaliser des mesures physiques délicates.

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C 6 -6/A

2

II - INTERPRÉTATION DE LA RÉACTION CHIMIQUE À L’ÉCHELLE MOLÉCULAIRE On sait que des volumes égaux de gaz pris dans les mêmes conditions de température et de pression sont constitués du même nombre de molécules. Ainsi, le mélange gazeux initial de l’expérience précédente contient autant de molécules d’hydrogène que d’oxygène. Une fraction infinitésimale de ce mélange de réactifs peut être représentée à l'échelle moléculaire comme ci-dessous :

O H

O

O

H

H

4 molécules d'oxygène

H

O O

H H

O

O

4 molécules d'hydrogène

H D CH 284 B

O

H

Après réaction chimique, les molécules d’hydrogène ont complètement disparu ; il subsiste des molécules d’oxygène et les molécules d’eau qui se sont formées : ÉTAT INITIAL

ÉTAT FINAL

H

O

H

O

O O

H H

— RÉACTIFS — Molécules d'hydrogène et d'oxygène

O H

REACTION

O

O

O

H

O

H

O

H

O H

H

O

H

O

H

H

H

H

O

O H

— PRODUITS — Molécules d'eau

D CH 285 B

O

À l’échelle moléculaire, tout se passe comme si il y avait eu rupture de liaisons oxygène-oxygène et hydrogène-hydrogène dans les molécules de réactifs puis recombinaison d’atomes d’oxygène et d’hydrogène ainsi libérés pour former les liaisons oxygène-hydrogène caractéristiques de la molécule d’eau. Il est bien évident que dans cette opération le nombre total d’atomes n’a pas changé. Ces atomes se sont simplement liés d’une manière différente. On dit que dans une réaction chimique il y a conservation du nombre des atomes de chaque espèce.

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3

La masse des atomes étant invariable, cela implique qu’étant présents en nombre identique dans l’état initial et dans l’état final, il y a conservation de la masse lors d’une réaction chimique. Ce principe a été énoncé par LAVOISIER et constitue le point de départ de toute la chimie moderne. Ainsi, la masse d’eau obtenue lors de la réaction présentée est égale à la somme des masses d’oxygène et d’hydrogène qui ont réagi. En revenant à l’expérience précédente, si les volumes gazeux sont repérés dans des conditions telles que le volume molaire vaut 22,4 litres : la masse de 10 cm3 d’oxygène est de :

10 x 32 g = 0,0143 g 22400

la masse de 20 cm3 d’hydrogène est de :

20 x 2 g = 0,0018 g 22400

La masse d’eau formée est donc : 0,0143 g + 0,0018 g = 0,0161 g

III - REPRÉSENTATION D’UNE RÉACTION CHIMIQUE PAR UNE ÉQUATION 1-

ÉCRITURE DE L’ÉQUATION CHIMIQUE On a montré précédemment que 4 molécules d’hydrogène réagissent avec 2 molécules d’oxygène pour donner 4 molécules d’eau. En constatant qu’il faut 2 molécules d’hydrogène et 1 molécule d’oxygène pour obtenir 2 molécules d’eau, on peut dire plus généralement que :

2 N molécules d’hydrogène réagissent avec N molécules d’oxygène

pour donner 2 N molécules d’eau

Or la valeur donnée à N est celle du nombre d’AVOGADRO (N = 6,02 1023) cela signifie que :

2 moles d’hydrogène réagissent avec 1 mole d’oxygène

pour donner 2 moles d’eau

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4

C’est ce que traduit conventionnellement l’équation de la réaction chimique qui s’écrit :

2 H2

+

O2

→

2 H2 O

en moles

2 moles d’hydrogène

+

1 mole d’oxygène

→

2 moles d’eau

en masse

2 x (2 x 1 g)

Signification

(2 x 16 )

2 (2 x 1 g + 16 g)

+ 4g d’hydrogène

→ 32 g d’oxygène

36 g de réactifs

36 g d’eau 36 g de produits

L’équation de la réaction chimique doit vérifier bien entendu la conversion de la masse entre réactifs et produits. Pour cela il doit y avoir dans chaque membre de l’équation le même nombre d’atomes de chaque espèce. On dit qu’une équation chimique doit être ÉQUILIBRÉE.

2-

ÉQUILIBRAGE D’UNE RÉACTION CHIMIQUE Il est évident qu’une équation chimique reste équilibrée si on multiplie ou si on divise tous les coefficients de l’équation par un même nombre, ainsi les 2 équations :

et

2 H 2 + O2

→

2 H2O

1 O 2 2

→

H2O

H2 +

sont équivalentes. Pour équilibrer l’équation d’une réaction chimique, il faut chercher les coefficients à affecter aux réactifs et aux produits pour respecter la conservation de la masse. Ainsi le méthane (CH4) brûle dans l’oxygène (O2) pour donner du gaz carbonique (CO2) et de l’eau (H 2O). On écrit l’équation : CH4 + O2

→

CO2 + H2O

Cette équation n’est pas équilibrée. Pour s’en rendre compte, il est nécessaire de procéder à la comptabilisation du nombre de moles d’atomes de chaque espèce apportées par les réactifs et se trouvant combinées dans les produits.

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5

BILAN SUR L’ÉLÉMENT CARBONE Le nombre de moles d’atomes de carbone (C) engagé dans la réaction est égal à celui consommé. En effet, 1 mole de méthane apporte 1 mole d'atomes de carbone (C) et 1 mole de gaz carbonique consomme 1 mole d’atomes de carbone. BILAN SUR L’ÉLÉMENT HYDROGÈNE Le nombre de moles d’atomes d’hydrogène (H) engagé dans la réaction est supérieur à celui consommé. En effet, 1 mole de méthane apporte 4 moles d’atomes d’hydrogène (H) et 1 mole d’eau consomme uniquement 2 moles d’atomes d’hydrogène. Pour équilibrer le nombre d’atomes d’hydrogène, il est nécessaire d’affecter H2 O du facteur multiplicatif 2 ce qui correspond alors, côté produit, à la consommation de 4 moles d’atomes d’hydrogène. CH4 + O2

→

CO2 + 2 H 2O

BILAN SUR L’ÉLÉMENT OXYGÈNE Le nombre de moles d’atomes d’oxygène (O) engagé dans la réaction est inférieur à celui consommé. En effet, 1 mole d’oxygène gazeux apporte 2 moles d’atomes d’oxygène ; 1 mole de gaz carbonique consomme 2 moles d’atomes d’oxygène et 2 moles d’eau consomme 2 moles d’atomes d’oxygène. Il y a donc au total 4 moles d’atomes d’oxygène consommées. Pour équilibrer le nombre d’atomes d’oxygène, il est nécessaire d’affecter O2 du facteur multiplicatif 2, ce qui correspond alors côté réactif à l’apport de 4 moles d’atomes d’oxygène. 2 O2

→

CH4 + 2 O2

→

CH4 +

CO2 + 2 H2O

L’équation est maintenant équilibrée. CO2 + 2 H2O

Les coefficients de l’équation équilibrée sont appelés coefficients stœchiométriques. Ils traduisent les exactes proportions de réactifs et de produits concernés par la réaction chimique. Ainsi, réaliser une réaction dans des proportions stœchiométriques signifie que l’on part d’un mélange de réactifs dont les proportions molaires sont exactement celles des coefficients de l’équation de la réaction.

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6

IV - UTILISATION DE L’ÉQUATION CHIMIQUE 1-

EXEMPLE DE LA COMBUSTION DU PROPANE L’équation chimique de combustion indique en nombre de moles les quantités respectives de combustible et d’oxygène à mettre en œuvre ainsi que celles des produits de combustion. La traduction de ces quantités en masse nécessite la connaissance des masses molaires de chaque espèce. Dans le cas de composés gazeux, les volumes (mesurés dans les mêmes conditions de pression et température) sont dans les proportions des nombres de moles. Le tableau suivant présente pour l’exemple de la combustion du propane (C3H 8), les résultats de l’interprétation en masse et volume de l'équation chimique de combustion.

C3H 8

+

5 O2

→

3 CO 2

RÉACTIFS

+

4 H 2O

PRODUITS

ÉTAT PHYSIQUE

GAZ

GAZ

GAZ

GAZ

Signification en moles

1 mole de propane

5 moles d’oxygène

3 moles de gaz carbonique

4 moles de vapeur d’eau

Signification en volume

1 volume de propane

5 volumes d’oxygène

3 volumes de CO2

4 volumes de vapeur d’eau

Signification en masse

44 g de propane

5 x 32 = 160 g d’oxygène

3 x 44 = 132 g de gaz carbonique

4 x 18 = 72 g de vapeur d’eau

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C 6 -6/A

7

2-

POUVOIR COMBURIVORE La combustion industrielle étant réalisée avec l'oxygène de l'air, il est plus intéressant de connaître le volume d'air que celui d'oxygène nécessaire à la combustion. La composition de l'air en oxygène et autres constituants est donnée dans le tableau suivant.

CONSTITUANT

% VOLUME

% MASSE

Azote Oxygène Argon

78,09 20,95 0,93

75,52 23,15 1,28

CO 2 Néon Xénon Krypton

0,03

0,05

100,00

100,00

Air sec

La combustion de 1 Nm3 de propane nécessitant 5 Nm3 d'oxygène, il faut un volume d'air de 5x

100 = 23,85 Nm3 d'air pour brûler 1 Nm3 de propane. 20,95

Le volume d'air nécessaire à la combustion est appelé pouvoir comburivore. Il s'exprime en Nm3 d'air par kg de combustible ou encore en Nm3 d'air par Nm3 dans le cas de combustibles gazeux. Les valeurs des pouvoirs comburivores de quelques corps purs sont indiquées sur la planche de la page 10. Dans le cas de mélanges, le pouvoir comburivore dépend de la composition du combustible. Application Pouvoir comburivore du mélange éthane (24 % mol) et propane (76 % mol) : -

pouvoir comburivore éthane : pouvoir comburivore propane :

Nm3 d'air/Nm3 Nm3 d'air/Nm3

-

pouvoir comburivore mélange :

Nm3 d'air/Nm3

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V - CARACTÉRISTIQUES D’UNE RÉACTION CHIMIQUE La représentation d’une réaction chimique par une équation chimique n’est pas complète si elle ne traduit par l’effet thermique qui accompagne la réaction ; d’autre part selon le type de réaction, on peut constater un accroissement ou une diminution du nombre de moles entre les réactifs et les produits de la réaction.

1-

CHALEUR DE RÉACTION La réaction précédente doit être complétée par le fait que la combustion s’accompagne d’un dégagement de chaleur de 485 kilocalories par mole de propane brûlé (2,03 MJ/mol). Cette quantité de chaleur est appelée chaleur de réaction. On dit que cette réaction est exothermique car elle dégage de la chaleur. On écrit : C 3H 8 + 5 O2 →

3 CO2 +

4 H2O

+

485 kcal/mol

D'une manière générale, la chaleur de réaction est la variation d'enthalpie entre les produits et les réactifs. On la note ∆Hréaction ou ∆H. chaleur de réaction = ∆Hréaction = Hproduits – Hréactifs Du point de vue thermique il en découle 3 types de réactions chimiques : -

les réactions se faisant avec un dégagement de chaleur : réactions exothermiques L'enthalpie des produits est inférieure à l'enthalpie des réactifs. Un excédent d'énergie est cédé au milieu extérieur. Le ∆H est négatif.

Hréactifs ∆H = Hproduits - Hréactifs < 0

Référence -

D CH 1688 A

Hproduits

les réactions se faisant avec consommation de chaleur : réactions endothermiques L'enthalpie des produits est supérieure à l'enthalpie des réactifs. Le milieu extérieur doit fournir de la chaleur. Le ∆H est positif. Dans le cas d’une réactions endothermiques, on note dans l’écriture de la réaction chimique la consommation de chaleur par - Q kcal/mole (quantité de chaleur négative) du côté des produits.

-

les réactions athermiques qui ne consomment ni ne dégagent de la chaleur Réactifs et produits ont une enthalpie très voisine. Le ∆H est nul.

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C 6 -6/A

En ce qui concerne les réactions chimiques mettant en jeu des hydrocarbures, on peut dès à présent donner les caractéristiques thermiques des principales réactions : – – – – – –

2-

les réactions de craquage (sans hydrogène) sont endothermiques les réactions de polymérisation et d’alkylation (soudure de molécules entre elles) sont exothermiques les réactions d'hydrogénation sont exothermiques les réactions de déshydrogénation sont endothermiques les réactions d’hydrocraquage sont exothermiques les réactions d’isomérisation sont légèrement exothermiques

POUVOIR CALORIFIQUE a - Définition La chaleur de réaction qui est la quantité de chaleur libérée par la combustion d'une mole de combustible. Cette définition exige le choix d'une pression de référence qui est généralement la pression atmosphérique normale et également celui d'une température de référence à laquelle se trouvent les réactifs (combustible + oxygène) avant combustion et jusqu'à laquelle seront refroidies les fumées. Cette température de référence est le plus souvent 0°C. Dans le cas où le combustible contient de l'hydrogène le choix de cette température ne suffit pas pour déterminer la quantité de chaleur récupérée par le refroidissement des fumées. Il est en effet nécessaire de préciser l'état physique vapeur ou liquide dans lequel se trouve l'eau des fumées qui s'est formée par la combinaison de l'hydrogène du combustible avec l'oxygène. Entre ces deux situations : eau à l'état vapeur à 0°C ou eau à l'état liquide à la même température il intervient la chaleur de condensation de l'eau qui s'ajoute donc dans le dernier cas à la quantité de chaleur récupérée par le refroidissement des fumées. Il va de soi que dans la plupart des utilisations et dans un incendie l'eau formée par la combustion est évacuée à l'état gazeux. Toutefois dans certains systèmes de chauffe on cherche à condenser l'eau des fumées et à récupérer ainsi la chaleur de condensation de l'eau. Le pouvoir calorifique est la traduction industrielle de la chaleur de réaction. Il est défini comme étant la quantité de chaleur dégagée par la combustion de un kilogramme (1 kg) de combustible solide ou liquide ou de un normal-mètre cube (1 Nm3) de combustible gazeux et cela pour une température de référence de 0°C et à pression atmosphérique normale. Pour les combustibles contenant de l'hydrogène il est nécessaire de distinguer : -

le pouvoir calorifique inférieur (P.C.I.) pour lequel l'eau formée est supposée à l'état vapeur le pouvoir calorique supérieur (P.C.S.) pour lequel l'eau formée est supposée à l'état liquide

Le P.C.S. est donc supérieur au P.C.I. de la chaleur de condensation à 0°C de l'eau formée par la combustion de l'hydrogène du combustible. b - Pouvoirs calorifiques des corps purs Les valeurs des chaleurs de réaction et des pouvoirs calorifiques de quelques corps purs figurent sur la planche de la page suivante.

01169_B_F

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S

H 2S

CH4

C2H6

C3H8

Soufre

Hydrogène sulfuré

Méthane

Éthane

Propane

+

+

+

+

+

+ →

→

5 O2

→

7/2 O2 →

2 O2

3/2 O2 →

O2

1/2 O2 →

1/2 O2 →

01169_B_F

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9 O2

→

+ 15/2 O 2 →

+

H 2O

+ 2 H 2O

+

6 CO2 + 3 H2O

6 CO2 + 6 H2O

6 CO2 + 7 H2O

4 CO2 + 5 H2O

3 CO2 + 4 H2O

2 CO2 + 3 H2O

CO2

SO2

SO2

H 2O

CO2

CO

CO2

nC16H34 + 49/2 O 2 → 16 CO 2 + 17 H2O

C6H6

Benzène

n-Hexadécane

C6H12

Cyclohexane

nC6H14 + 19/2 O 2 →

H2

Hydrogène

+

1/2 O2 →

→

n-Hexane

CO

Oxyde de carbone

+

O2

nC4H10 + 13/2 O 2 →

C

Carbone

+

n-Butane

C

Équation chimique de combustion

Carbone

Combustible

L L

5,65

L

L

G

G

G

G

G

L

G

G

S

S

du combustible

V L

V L

V L

V L

V L

V L

V L

V L

V L

–

V L

–

–

–

eau formée

État physique

12

6

5,14

4,8

4,5

4

3

–

–

–

–

–

–

C/H

2377,7 2560,5

749,6 781,8

874,1 938,6

921,6 996,9

635,6 689,3

488,7 531,7

341,4 373,6

191,8 213,8

123,9 134,7

70,7

57,7 68,5

67,6

26,45

94,05

kcal/mol

Chaleur de réaction

10500 11310

9595 10010

10385 11155

10695 11570

10935 11860

11085 12060

11355 12125

11960 13300

3635 3955

2205

28640 33975

2413

2205

7840

kcal/kg

– –

– –

– –

– –

28375 30770

21815 23735

15240 16680

8565 9520

5530 6015

–

2575 3060

–

–

–

kcal/Nm3

Pouvoir calorifique

11,56

10,26

11,43

11,78

11,95

12,12

12,44

13,32

4,70

3,33

26,50

1,91

4,45

8,90

Nm3 air/kg

–

–

–

–

31,01

23,85

16,70

9,54

7,16

–

2,39

2,39

–

–

Nm3 air/Nm3

Pouvoir comburivore

10

C 6 -6/A

C 6 -6/A

11

c - Pouvoir calorifique des mélanges • Mélange gazeux Le pouvoir calorifique du mélange peut se calculer par pondération molaire du pouvoir calorifique de chacun des constituants à partir de l'analyse chromatographique. Application Calculer le PCI du mélange éthane (24 % molaire) et propane (76 % molaire).

PCI du mélange =

kcal/Nm 3

• Mélange liquide La détermination du pouvoir calorifique du mélange peut se faire par la méthode à la bombe (Norme NF M 07 030). Différents abaques, tableaux ou corrélations permettent d'obtenir les pouvoirs calorifiques des mélanges les plus courants. Le tableau ci-dessous donne le PCI de quelques produits pétroliers.

Produit pétrolier

PCI kcal/kg

Essence auto

10500

Kérosène

9700

Gasoil

10100

Fuel lourd

9800

Bitumes

9500

Pétrole brut

01169_B_F

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C 6 -6/A

12

3-

VARIATION DU NOMBRE DE MOLES ENTRE RÉACTIFS ET PRODUITS D'autre part, une réaction chimique peut se faire avec accroissement ou diminution du nombre de moles lors de la transformation des réactifs en produits. Ainsi : -

-

la réaction de combustion du méthane se fait sans changement du nombre de moles Réactifs

Produits

1 mole CH 4

1 mole CO2

2 moles O2

2 moles H 2O

3 moles

3 moles

la réaction de combustion du propane se fait avec augmentation du nombre de moles Cette réaction s'écrit : C 3H 8

+

propane

5 O2

3 CO2

oxygène

gaz carbonique

Réactifs

+

4 H 2O eau

Produits

1 mole C3H8

3 moles CO 2

5 moles O2

4 moles H 2O

6 moles

7 moles

Une réaction chimique peut plus généralement s'accompagner d'un accroissement, d'une diminution, ou d'une conservation du nombre de moles.

01169_B_F

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13

4-

AMORÇAGE DE LA RÉACTION CHIMIQUE : ÉNERGIE D'ACTIVATION a - Énergie d'activation Ce n'est pas parce qu'une réaction est possible qu'elle s'effectue spontanément. Dans l'exemple de la fabrication de l'eau, si l'on ne provoque pas l'étincelle, l'hydrogène et l'oxygène peuvent très bien coexister sans conduire en apparence à de l'eau. La réaction est possible mais s'effectue à l'échelle humaine si lentement, que l'on ne constate aucune modification du milieu. La vitesse est alors quasi nulle. Par contre, dès production de l'étincelle, la combustion de l'hydrogène dans l'oxygène est une réaction pratiquement instantanée à tel point qu'elle peut, dans certaines conditions, devenir explosive : 2 H2 + O2

→

2 H2O

La conversion totale de l'hydrogène en eau se fait avec une vitesse extrêmement élevée. Plus généralement, on constate expérimentalement que les réactions chimiques mettent un temps plus ou moins long pour évoluer vers leur état initial. Cet apport d'énergie, nécessaire à l'amorçage de la réaction s'appelle l'énergie d'activation E exprimée en kcal/kmol ou J/mol. En se référant au schéma ci-dessous, l'énergie d'activation traduit le niveau énergétique d'activation minimum qui doivent posséder les réactifs pour être transformés en produits. Cette énergie d'activation E varie de quelques kilocalories par mole à plus de 80 kcal/mol selon la nature des réactifs et des produits.

État activé E = énergie d'activation État énergétique des réactifs (Hréactifs)

R

∆H = chaleur de réaction

D CH 1690 A

P État énergétique des produits (Hproduits)

t

Il existe en quelque sorte une "barrière" énergétique empêchant le déclenchement spontané des réactions chimiques (c'est ce qui explique que certains corps, instables dans les conditions ambiantes, existent néanmoins).

01169_B_F

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14

C 6 -6/A

b - Cas particulier des réactions de combustion : énergie minimale d'inflammation Dans le cas d'une réaction de combustion, l'énergie d'activation (Joule/mole), précédemment définie, est très différente de l'énergie minimale d'inflammation (MilliJoule) qui est l'énergie nécessaire pour provoquer l'allumage d'un "volume critique d'allumage". Ce volume est le volume minimal de réactifs devant être allumé pour que la flamme puisse se propager.

5 - LIAISONS ENTRE CES CARACTÉRISTIQUES ET LA PRÉVISION DU COMPORTEMENT D’UNE RÉACTION CHIMIQUE Les caractéristiques d’une réaction chimique que l’on vient de mettre en évidence, à savoir : -

dégagement ou absorption de chaleur accompagnant la réaction variation du nombre de moles entre réactifs et produits énergie d'activation

sont très importantes. En effet, ces caractéristiques comme on le verra plus loin, vont permettre de déterminer les tendances de la réaction et par là, de prévoir l’évolution des comportements de certaines réactions chimiques en fonction des variations des conditions opératoires. Parallèlement, ces caractéristiques du comportement des réactions déterminent les équipements nécessaires à la réalisation du procédé ainsi que les sécurités qui l'environnent. Exemple : les réactions de polymérisation exothermiques. La rapidité de la réaction est liée à la température. Une augmentation de celle-ci peut conduire à un emballement de la réaction et provoquer une explosion. Le contrôle de la température revêt donc un caractère primordial dans les procédés de polymérisation.

01169_B_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE MÉTALLURGIE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I

- COMPORTEMENT D’UNE PAROI D’ÉQUIPEMENT SOUS PRESSION (PRESSURE VESSEL) .............................................................................................................. 1 1 2 3 4 5 6

II

C7

-

Répartition hétérogène des contraintes de traction dans un ESP ............................................... 1 Cas d’une paroi saine .................................................................................................................. 1 Cas d’une paroi avec défauts ...................................................................................................... 1 Structure d’une paroi métallique .................................................................................................. 2 Le métal de la paroi est uniformément ductile ............................................................................. 4 Le métal de la paroi est uniformément ou localement fragile ...................................................... 7

- CARACTÉRISTIQUES ET ESSAIS MÉCANIQUES DES MÉTAUX.......................................... 8 1 2 3 4

-

Essai de traction (Tensile testing)................................................................................................ 8 Essai de fluage (Creep testing) ................................................................................................. 11 Essai de flexion par choc (Charpy V-Notch testing) .................................................................. 13 Essai de dureté (Hardness testing) ........................................................................................... 17

III - ALLIAGE FER-CARBONE ......................................................................................................... 22 1 2 3 4 5

-

Élaboration de la fonte et de l’acier ........................................................................................... 22 Structure cristalline de l'alliage fer-carbone ............................................................................... 25 Diagramme de transformation dans la phase solide de l'alliage fer-carbone (ou acier allié) .... 27 Transformation anisotherme de l’austénite................................................................................ 32 Modifications de structure au voisinage d’un cordon de soudure.............................................. 35

IV - DÉSIGNATION CONVENTIONNELLE DES ALLIAGES FERREUX ...................................... 36 1 2 3 4 5

-

Définition des aciers .................................................................................................................. 36 Normalisation française ............................................................................................................. 36 Désignation suivant la norme NF EN 10027.............................................................................. 41 Équivalence des nuances normalisées ..................................................................................... 44 Désignation normalisée ASTM des matériaux utilisés dans les industries pétrolières .............. 48

MX TYP - 00529_I_F - Rév. 6

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11/04/2005

-1/A

II

V

C 7 -1/A

- PRINCIPAUX MATÉRIAUX UTILISÉS DANS L'INDUSTRIE DU RAFFINAGE...................... 51

VI - CHOIX DES MATÉRIAUX EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE ..................................... 54 VII - ORDRE DE GRANDEUR DU PRIX RELATIF DES MÉTAUX LES PLUS UTILISÉS DANS LES INDUSTRIES DE PROCÉDÉS............................................................................. 55 VIII - SOUDAGE DES MÉTAUX ...................................................................................................... 56 1 2 3 4

-

Méthodes d'assemblage ............................................................................................................ 56 Procédés de soudage ................................................................................................................ 59 Soudabilité ................................................................................................................................. 72 Traitements thermiques ............................................................................................................. 76

00529_I_F

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1

COMPORTEMENT D’UNE PAROI D’ÉQUIPEMENT SOUS PRESSION (PRESSURE VESSEL) 1-

RÉPARTITION HÉTÉROGÈNE DES CONTRAINTES DE TRACTION DANS UN ESP

D MAC 2130 A

P

2-

CAS D’UNE PAROI SAINE Dans une paroi sans défaut majeur ces contraintes induites par la pression de service sont toujours inférieures à la résistance élastique du métal.

3-

CAS D’UNE PAROI AVEC DÉFAUTS S’il y a présence de défauts importants comme par exemple une inclusion ou une microfissure, ces contraintes vont contourner ce défaut et se concentrer au voisinage de ce dernier.

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

Fissure Concentration des contraintes => contrainte résultante > résistance élastique du métal

00529_I_F

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D MAC 1528 B

I-

C 7 -1/A

2

4-

C 7 -1/A

STRUCTURE D’UNE PAROI MÉTALLIQUE Un métal est formé d'une multitude de petits volumes polyédriques appelés grains dont la taille varie en général de 2 à 20 µm, et qui sont limités par des surfaces appelées joints de grains.

Surface observée au microscope à balayage

Doc ENSAM

a ) rupture le long des joints de grains

Surface observée au microscope optique

b ) coupe plane des grains

Chaque grain est en fait un monocristal, c'est-à-dire un empilement régulier d'ions métalliques dont la cohésion est assurée par un gaz d'électrons. Ces électrons libres expliquent, par exemple, les propriétés de conductivité thermique et électrique des métaux. Cet empilement d'ions conduit à des structures compactes qui peuvent être représentées par un empilement régulier de sphères dures.

00529_I_F

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D MAC 200 B

Doc ENSAM

3

D MAC 217 B

C 7 -1/A

L'orientation du réseau cristallin propre à chaque grain est différente et le matériau est dit polycristallin. Dans le cas très particulier où le matériau n'est constitué que d'un seul grain, il est dit monocristallin.

Joint de grain

Grain

D MAC 200 C

D MAC 201 B

Grain

Monocristal

Polycristal monophasé

00529_I_F

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4

C 7 -1/A

Dans les cas les plus simples (métaux purs, solutions solides), tous les cristaux ont une structure et une composition identiques : le matériau est monophasé. Mais en général le matériau est polyphasé, chaque ensemble de cristaux de même structure et de même composition formant une phase distincte.

Phase 2

D MAC 200 D

Phase 1

Matériau polyphasé avec deux phase mises en évidence par microscopie optique

5-

LE MÉTAL DE LA PAROI EST UNIFORMÉMENT DUCTILE F F

Allongement plastique - Irréversible -

D MAC 2131 A

Allongement élastique - Réversible -

F

F

Si les contraintes de traction locales dépassent la résistance élastique du métal il y aura allongement local permanent de la structure métallique.

00529_I_F

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5

C 7 -1/A

D MAC 1010 D

• Déplacement des dislocations

Dislocation - coin • Densité des dislocations La densité des dislocations, qui s'exprime en longueur de ligne de dislocation par unité de volume (de façon habituelle en centimètres par centimètre cube : cm/cm3 ou cm–2 ), est de l'ordre de 10 6 à 107 cm/cm 3 dans un métal non déformé (soit 10 à 100 km de dislocation par cm3!). • Mouvement des dislocations La dislocation est un défaut cristallin dont le déplacement est progressif. Plus facile que le cisaillement simultané sur tout le plan, il conduit à la même déformation macroscopique.

τ

Rupture silmutanée des liaisons

D MAC 1015 A

τ

Ruptures succéssives des liaisons (théorie des dislocations)

00529_I_F

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6

C 7 -1/A

Dislocation-coin

Dislocation-vis

Dislocation-mixte

D MAC 1010 B

D MAC 1017 A

Trois types de dislocation peuvent se déplacer.

Réseau de dislocations d'un échantillon de Nickel

Ces dislocations se forment lors de la solidification, mais aussi pendant la déformation plastique. Leur grand nombre (106 à 108 cm/cm3 dans l'acier recuit) permet le développement d'une déformation plastique importante. • Au voisinage du défaut

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

La structure locale s'allonge au delà de sa limite élastique => Les contraintes se repartissent et la contrainte résultante devient < résistance élastique du métal

00529_I_F

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D MAC 1528 A

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

7

6-

C 7 -1/A

LE MÉTAL DE LA PAROI EST UNIFORMÉMENT OU LOCALEMENT FRAGILE

F

F

Allongement élastique

D MAC 2131 B

Rupture fragile

F

F

La structure du métal contient des défauts comme des atomes d’éléments d’addition, des précipités de phases dures, des dislocations enchevetrées, des joints de grains qui font obstacles au déplacement des dislocations jusqu’à bloquer leur mouvement. Alors si les contraintes locales dépassent la résistance élastique de la structure il y aura rupture des liaisons intercristallines et fissuration. • Au voisinage du défaut

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

EFFORT DE TRACTION DANS LA PAROI

La structure locale ne peut se déformer au-delà de son allongement élastique => ruptures de liaisons inter ou transgranulaires, la fissure se propage jusqu'à la rupture de la paroi

00529_I_F

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D MAC 1528 C

Fissure

8

II -

C 7 -1/A

CARACTÉRISTIQUES ET ESSAIS MÉCANIQUES DES MÉTAUX Différents essais déterminent les caractéristiques mécaniques des matériaux, parmi lesquels il est possible de citer : -

1-

l’essai de traction l’essai de fluage l’essai de flexion par choc l’essai de dureté

ESSAI DE TRACTION (TENSILE TESTING) Cet essai consiste à soumettre une éprouvette normalisée, en général de forme cylindrique ou prismatique, à un effort de traction F exercé selon un axe longitudinal et à relever la déformation ∆l qui en résulte.

Section So

Longueur entre repères lo

D MAC 202 A

F

Éprouvette cylindrique normalisée L’effort de traction F s’exerce sur la section So et développe dans cette section une contrainte σ (sigma) appelée charge unitaire. σ = contrainte =

F effort de traction = So section

00529_I_F

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9

C 7 -1/A

Si l’on représente la variation de la contrainte σ ou R exercée en fonction de la déformation unitaire ∆l e = , on obtient le diagramme ci-dessous. lo

R Rm

B C A

Re

y ; ; y yy ;; yy ;; yy ;y;y;; yy ;; y;;yy;; ;;y yy Allongement de striction

Allongement réparti

e

A%

Lo

S

Su

D MAC 203 A

So

L - Lo

Lu

e=

L

Lo

0

Ce diagramme fait apparaître les zones suivantes : -

OA : domaine élastique à déformation réversible où R = E . e (E module de Young) le point A, limite du domaine élastique AB : domaine de déformation plastique répartie le point B, point de charge maximale ou début de la striction BC : domaine de striction ou de déformation plastique localisée le point C, point de rupture de l’éprouvette

Il permet de déterminer les caractéristiques suivantes : -

la limite apparente d’élasticité, Re en N/mm2 1 MPa = 106 Pa = 10 bar = 1 N/mm2 = 0,1 kgf/mm2 La désignation normalisée d’un acier non allié d’usage général E 36 signifie que sa limite élastique minimale garantie est de 360 MPa.

00529_I_F

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10

-

C 7 -1/A

la limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % d’allongement rémanent C’est cette valeur de la limite élastique qui est généralement prise en compte dans les normes produits et dans les règles de calcul utilisées dans les codes de construction.

Rr

R Rp

0,2

0,2 %

-

R Rp

0,2

0,2 % Zone élastique rectiligne

e

e

0,1

0,1 % e Zone élastique non rectiligne

la résistance à la traction Rm Un acier d’appellation normalisée A 42 S signifie que la résistance à la rupture minimale garantie par la norme est de 420 MPa (avec garantie de soudabilité).

-

l’allongement pour cent après rupture A % =

-

le coefficient de striction Z % =

Lu – Lo . 100 Lo

So – Su . 100 So

La température a une influence prépondérante sur les variations de la limite élastique et de la contrainte de rupture. En effet, si l’on effectue des essais de traction sur le même acier à des températures différentes, on ∆l obtient les diagrammes σ = f   suivants : l T 1 °C < T2 °C < T3 °C

00529_I_F

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D MAC 204 A

R

11

Types de diagrammes

σ

 ∆l l

C 7 -1/A

à différentes températures

Aux hautes températures, on assiste à un effondrement des caractéristiques de résistance ainsi qu’à un phénomène de fluage vers 450°C pour de nombreux aciers. Aux basses températures, on remarque une augmentation de la résistance à la rupture et de la limite élastique, avec baisse de la ténacité (tendance à la rupture fragile).

2-

ESSAI DE FLUAGE (CREEP TESTING) Le fluage consiste en une déformation plastique continue des métaux dans le temps sous l’effet d’une contrainte appliquée à une certaine température. Pour les aciers, l’influence de la température ne peut être négligée à partir de 400°C environ. Lors d’un essai de fluage, le relevée de l’allongement subit par l’éprouvette en fonction du temps pour une contrainte et une température constantes, donne le diagramme ci-dessous.

Évolution de l’allongement avec le temps à haute température

00529_I_F

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12

C 7 -1/A

Deux caractéristiques principales sont utilisées pour le calcul des équipements : -

la charge produisant la rupture à une température donnée en un temps donné. Cette valeur intervient dans le calcul après avoir été affectée d’un coefficient de sécurité convenable

- la contrainte provoquant, à une température donnée, un allongement donné pendant un temps fixé (contrainte amenant un allongement de 1 % en 100 000 heures à la température θ) Cette valeur permet de définir un taux de travail respectant les impératifs dimensionnels de certains matériels. Le fluage est particulièrement sensible pour les tubes de four portés à haute température. Une élévation excessive des températures de peau conduit à une augmentation de ce phénomène et diminue fortement la durée de vie des tubes.

D MAC 206 A

C’est l’explication des hernies qui apparaissent sur les tubes de chaudières et de fours dans le cas où un dépôt interne (tartre, coke, …) a modifié de façon notable les transferts thermiques et par conséquence, la température du métal.

Pour améliorer la tenue au fluage des matériaux, on incorpore aux alliages des éléments tels que la chrome, le nickel, le molybdène, le tungstène, le titane, etc.

00529_I_F

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13

3-

C 7 -1/A

ESSAI DE FLEXION PAR CHOC (CHARPY V-NOTCH TESTING) a - Généralités La connaissance des caractéristiques déduites de l’essai de traction peut être suffisante puisque des ruptures peuvent être obtenues en-dessous de la limite élastique dans des conditions particulières qui rendent le métal fragile. Les facteurs fragilisants sont : - la triaxialité des contraintes (l’entaille pratiquée sur une éprouvette de flexion par choc simule ce système triaxial) - l’abaissement de la température - l’augmentation de la vitesse de déformation - l’augmentation de la dimension des pièces Un des moyens le plus classique et le plus ancien pour caractériser la fragilisation du métal sous l’action d’un choc est l’essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée. L’essai consiste à mesurer sur un “mouton de Charpy” l’énergie nécessaire pour rompre, par choc, une éprouvette entaillée en son milieu. Axe de rotation Paliers du pendule

Échelle Index à frottement Tige du pendule

Angle de la pointe du couteau X

Marteau

30°

Arête du couteau Arête du couteau

Éprouvette

Rayon de courbure de l'arête du couteau

0,25

XX ,5

1 1à

00529_I_F

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45°

40

8

10

55

10

2 à 2,5

X

D MAC 208 A

Appuis

2

Bâti de la machine

14

C 7 -1/A

b - Principe de l’essai Le couteau est écarté de la verticale à une hauteur ho qui correspond à une énergie de départ W0 (généralement 300 Joules). On libère le couteau. Dans sa chute, en passant à la verticale, il brise l’éprouvette. On mesure la hauteur h1 à laquelle remonte le pendule pour calculer l’énergie non absorbée W 1 . On calcule la différence W O – W1 . W (énergie absorbée) = W 0 – W 1 = P (ho – h1 ) en Joules

yy ;; ;; yy o

ho

Wo = P x ho P = poids en N ho = hauteur (m)

00529_I_F

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D MEQ 209 A

P = poids en N h1 = hauteur (m)

h1

G

W=Pxh

G

15

C 7 -1/A

c - Influence de la température À une certaine température, la limite d’élasticité et la contrainte de rupture sont identiques. Il n’y a plus de déformation en phase élastique. La rupture est dite fragile. La température à laquelle se produit ce phénomène, est appelée température de transition. Très souvent, la température de transition est choisie arbitrairement comme étant la température pour laquelle l’énergie nécessaire à la rupture est égale à 27 J/.

150

Cristalinité % 0

KC (J)

100 50 50 TK 50%

0 -100 TK 28

Cassure fragile

100 -40

0

40

Cassure semi-fragile

T °C

Cassure ductile

KV

K

Charpy U

CFC

Charpy V 0

T

CC

Haute résistance 0

00529_I_F

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T

D MAC 210 A

28

16

C 7 -1/A

d - Exemple : variation de l’énergie de rupture par choc d’un acier A 37 FP en fonction de la température

Température Énergie de rupture par choc (J)

+ 20°C

0°C

– 20°C

– 40°C

16

4

3,2

2,8

L’acier “vieillit” avec le temps, ce qui se traduit pour certaines nuances par une élévation de la température de transition. Un acier peut avoir aujourd’hui une température de transition de – 15°C et de + 5°C dans vingt ans. Ce phénomène concerne entre autres les tubes de four. Citons l’exemple d’un acier à 4-6 % de chrome sans molybdène dont la température de transition est de – 10°C lors de la mise en service. Après 2,5 ans d’exploitation à 565°C, la température de transition devient + 15°C. Cela se traduit bien entendu par une baisse de l’allongement. On recommande dans ce cas de ne pas dépasser des vitesses de variation de température de 50°C/heure pour éviter les chocs thermiques.

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4-

C 7 -1/A

ESSAI DE DURETÉ (HARDNESS TESTING) a - Essai Brinell L’essai consiste à imprimer dans la pièce à essayer une bille en acier de diamètre D sous une charge F, et à mesurer le diamètre d de l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge. La dureté Brinell HB est un nombre proportionnel au rapport F/S (S : surface en mm2 de l’empreinte).

y ; yy ;; y ; ; y yyy ;;; d

h

D MAC 211 A

D

h

F

Épaisseur

Photo Malicet Blin (SKF)

Diamètre D de la bille en mm Pour acier

F en Newtons Pour acier

10 ± 0,0045

29400

Normale

5 ± 0,004 2,5 ± 0,003 1 ± 0.003

7355 1840 294

Pour cas particuliers

Utilisations

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C 7 -1/A

• Domaine d’utilisation Sur pièces laminées ou moulées à gros grain (déconseillé lorsque HB > 450). b - Essai Vickers L’essai consiste à imprimer dans la pièce à essayer un pénétrateur en forme de pyramide droite à base carrée d’angle au sommet 136° sous une charge F et à mesurer la diagonale d et l’empreinte laissée sur la surface après enlèvement de la charge. La dureté Vickers est proportionnelle au rapport F/S (S = surface de l’empreinte considérée comme pyramide droite).

F

d2

D MAC 212 A

d1

136°

• Domaine d’utilisation Méthode à éviter pour pièces à gros grains (pièces moulées). Des écarts entre les longueurs des diagonales peuvent exister dans le cas de métaux très anisotropes. La préparation de surface très soignée (rectification, polissage) est un inconvénient de l’essai Vickers, qui est par ailleurs le plus précis. Pour la mesure de la dureté de pièces sphériques ou cylindriques, il existe dans la norme des tableaux de coefficients de correction. Filiation de dureté des assemblages soudés.

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C 7 -1/A

c - Essai Rockwell • Principe de l’essai L’essai consiste à imprimer, en deux temps, dans la couche superficielle de la pièce à essayer, un pénétrateur de type normalisé (cône ou bille) et à mesurer l’accroissement rémanent e de la profondeur de pénétration.

;;;; yy ;; yyyy yy ;; yy ;; ; yy ; yyyy ;;;; yy ;; yy ;; ; yy ; yyyy ;;;; yyyy ;;;; α

Fo

β

γ

a b

Surface de la pièce grossie

Fo + F1

e = c-a c

Fo

Dureté 100

0,2 mm

α

a b

β

Surface de la pièce grossie

0,26 mm

Dureté 130

Dureté 0

Fo + F1

Fo

γ

α γ β

D MAC 213 A

Fo

γ β

e = c-a c

Dureté 0

α

00529_I_F

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C 7 -1/A

Tableau récapitulatif des différentes échelles Rockwell Type essai HRC HRB, B’ HRE HRF HRG HRH HRL H 15 N H 15 T H 30 N H 30 T H 45 N H 45 T H 15 W

Valeur de F0 Newtons

Forme du pénétrateur Cône α = 120° Bille ∅ = 1,5875 mm Bille ∅ = 3,175 mm Bille ∅ = 1,5875 mm Bille ∅ = 1,5875 mm Bille ∅ = 3,175 mm Bille ∅ = 6,350 mm Cône α = 120° Bille ∅ = 1,5875 mm Cône α = 120° Bille ∅ = 1,5875 mm Cône α = 120° Bille ∅ = 1,5875 mm Bille ∅ = 3,175 mm

98 98 98 98 98 98 98 29,4 29,4 29,4 29,4 29,4 29,4 29,4

N±2 N±2 N±2 N±2 N±2 N±2 N±2 N ± 0,6 N ± 0,6 N ± 0,6 N ± 0,6 N ± 0,6 N ± 0,6 N ± 0,6

Valeur de F1 Newtons 1373 883 883 490 1373 490 490 117,6 117,6 264,6 264,6 411,6 411,6 117,6

N±7 N ± 4,5 N ± 4,5 N ± 4,5 N±7 N ± 4,5 N ± 4,5 N ± 0,4 N ± 0,4 N ± 1,4 N ± 1,4 N ± 2,4 N ± 2,4 N ± 0,4

Métaux* Fe Fe, Al, Cu Fe, Al Fe, Cu Cu Al Al Fe, Al Cu Fe, Al Cu Fe, Al Cu Al, Cu

* Fe : aciers, Al : aluminium et alliages, Cu : cuivre et alliages

Il existe des macroduromètres Rockwell à affichage direct digital de la dureté. • Domaines d’utilisation Seules les pièces à gros grains ne peuvent pas être essayées de cette façon (pièces moulées). Les marques laissées sur la pièce sont petites. Permet une lecture directe. d - Correspondance entre mesures de dureté La dureté dépend à la fois de la limite d’élasticité et de la capacité de durcissement par déformation. En effet, des déformations de l’ordre de 8 à 10 % sont réalisées lors de l’essai. Il est donc difficile de relier quantitativement des mesures de dureté faites sur le même matériau suivant différentes méthodes. Cependant, il existe des tables de correspondance commodes malgré leur caractère approché (cf. tableau page suivante : NF A 03-172 pour aciers non alliés ou faiblement alliés). e - Correspondance entre mesure de dureté et résistance à la traction De la même façon et pour les mêmes raisons, il est difficile de corréler la dureté aux caractéristiques de traction (Rp, R m). Cependant, pour un type d’alliage, il est toujours possible de trouver de telles corrélations. Il existe en particulier de tels tableaux pour les aciers au carbone soit bruts de laminage, soit traités thermiquement. De tels tableaux ne sont pas valables pour les aciers écrouis, les aciers inoxydables, les alliages non ferreux.

00529_I_F

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21

C 7 -1/A

Des formules empiriques ont également été proposées comme, par exemple, pour les aciers, par l’IRSID. HV = 1,4 Rp + 1,6 Rm De telles correspondances sont très avantageuses, car les essais de dureté exigent peu de matière et de temps. Il faut, pour les utiliser, en bien connaître les limites d’application. Dureté HV F ≥ 98,1 N

Dureté HB

80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 310 320 330 340

76,0 80,7 85,5 90,2 95,0 99,8 104,5 109,3 114,0 118,8 123,5 128,3 133,0 137,8 142,5 147,3 152,0 156,8 161,5 166,3 171,0 175,8 180,5 185,3 190,0 194,8 199,5 204,3 209,0 213,8 218,5 223,3 228 232,8 235,5 242,2 247,0 251,7 256,5 261,2 266,0 270,7 275,5 280,2 285,0 294,5 304 313,5 323,0

Dureté HRA

Dureté HRB

Dureté HRC

Dureté HRD

62,0 64,6 67,0 69,0 71,0 73,1 75,1 77,0 78,8 80,5 82,1 83,5 85,0 86,1 87,3 88,5 89,6 90,7 91,8 92,8 93,7 94,6 95,5 96,3

60,7 61,2 61,6 62,0 62,4 62,7 63,1 63,5 63,8 64,2 64,5 64,8 65,2 65,8 66,4 67,0 67,6

20,3 21,3 22,2 23,1 24,0 24,8 25,6 26,4 27,1 27,8 28,5 29,2 29,8 31,0 32,2 33,3 34,4

40,3 41,1 41,7 42,2 43,1 43,7 44,3 44,9 45,3 46,0 46,5 47,1 47,5 48,4 49,4 50,2 51,1

Résistance à la traction R m (MPa)

Dureté HV F ≥ 98,1 N

260 280 300 310 330 350 360 380 400 410 430 450 460 480 500 510 430 550 560 580 590 610 630 640 660 680 690 710 730 740 760 780 790 810 830 840 860 880 890 910 930 950 960 970 990 1030 1060 1090 1120

350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940

Dureté HB

Dureté HRA

Dureté HRC

Dureté HRD

332,5 342,0 351,5 361,0 370,5 380,0 389,5 399,0 408,5 418,0 423,0 432,0 442,0 450,0 456,0 466,0 475,0 483,0 492,0 500,0 509,0 517,0 526,0 535,0 543,0 552,0 560,0 569,0 577,0 586,0

68,1 68,7 69,2 69,8 70,3 70,8 71,4 71,8 72,0 72,3 73,3 73,6 74,1 74,5 74,9 75,3 75,7 76,1 76,4 76,7 77,0 77,4 77,8 78,0 78,4 78,6 78,9 79,2 79,5 79,8 80,0 80,3 80,6 80,8 81,1 81,3 81,8 82,2 82,6 83,0 83,4 83,8 84,1 84,4 84,7 85,0 85,3 85,6

35,5 36,6 37,7 38,8 39,8 40,8 41,8 42,7 43,6 44,5 45,3 46,1 46,9 47,7 48,4 49,1 49,8 50,5 51,1 51,7 52,3 53,0 53,6 54,1 54,7 55,2 55,7 56,3 56,8 57,3 57,8 58,3 58,8 59,2 59,7 60,1 61,0 61,8 62,5 63,3 64,0 64,7 65,3 65,9 66,4 67,0 67,5 68,0

51,9 52,8 53,8 54,4 55,2 56,0 56,8 57,5 58,2 58,8 59,4 60,1 60,7 61,3 61,6 62,2 62,9 63,5 63,9 64,4 64,8 65,4 65,8 66,2 66,7 67,0 67,5 67,9 68,3 68,7 69,0 69,4 69,8 70,1 70,5 70,8 71,5 72,1 72,6 73,3 73,8 74,3 74,8 75,3 75,7 76,1 76,5 76,9

00529_I_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Résistance à la traction R m (MPa) 1160 1190 1220 1260 1290 1320 1360 1390 1420 1450 1490 1520 1550 1590 1620 1650 1680 1720 1750 1790 1820 1850 1880 1920 1950 1980 2020 2050 2080 2120 2140

22

C 7 -1/A

III - ALLIAGE FER-CARBONE 1 - ÉLABORATION DE LA FONTE ET DE L'ACIER FILIÈRE FONTES

Minerai de fer

FILIÈRE FERRAILLES

Préparation du minerai

Ferrailles Charbon à coke

Cokerie 1250 °C Fonte liquide

Préparation Haut fourneau Électrodes

Wagon poche Acier liquide

Acier liquide D MAC 1041 A

1600 °C

Four de métallurgie secondaire

Convertisseur à l'oxygène

Centrale à oxygène

Four électrique

STATION D'AFFINAGE

COULÉE Coulée en lingotiéres

Coulée continue

Démoulage des lingots

Fours de réchauffage

Réchauffage lingots

Brames Blooms

Train continu à larges bandes Train à profilés

00529_I_F

„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Blooms

D MAC 1042 A

Brames

Profilés plats

Profilés

Réchauffage

Bloomings stabling

23

C 7 -1/A

Élaboration de l'acier Le passage de la fonte liquide à l'acier nécessite une diminution des teneurs de pratiquement tous les éléments comme le montre la comparaison ci-dessous : %C

% Si

% Mn

%P

%S

Fontes

3-4

0,5 à 2,5

1à2

2 à 0,1

0,05

Aciers

0,05-1,5

0 à 0,5

0,3 à 1,5

< 0,05

< 0,05

L'élaboration comprend en général deux phases distinctes : •

phase d'oxydation : élimination de C, Si, Mn et du P avec action simultanée de CaO pour ce dernier. L'affinage de la fonte consiste en des réactions d'oxydation très rapides provoquées par la mise en contact de l'oxygène gazeux avec le métal liquide, dans des conditions très éloignées de l'équilibre thermodynamique avec les autres éléments présents. Ces réactions peuvent s'écrire : C C Si Mn Fe 2 Fe

+ + + + + +

1/2 O2

O2 O2 1/2 O2 1/2 O2 3/2 O2

→ → → → → →

CO CO 2 SiO2 MnO FeO Fe 2 O3

Les gaz CO et CO2 sont entraînés dans la hotte de captage. Les oxydes produits par les quatre dernières réactions contribuent, avec les autres oxydes constituant la charge du convertisseur, en particulier la chaux, à la formation d'un laitier liquide, de densité plus faible que le métal liquide et qui surnage à sa surface. La réaction de déphosphatation, 2 P + 5/2 O 2 → P2 O5 , n'est possible que grâce à la présence de ce laitier liquide : l'oxyde de phosphore doit être neutralisé au fur et à mesure de sa formation par réaction avec les constituants basiques, essentiellement CaO, contenus dans le laitier. Toutefois la présence de FeO donne un produit inforgeable et un dégagement gazeux important de CO (réduction de FeO par C) : aciers effervescents. Il faudra procéder à une désoxydation du bain (phase de réduction).

00529_I_F

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24

Électrode réfractaire

Laitier

Acier •

Arc électrique

D MAC 1045 A

Un schéma de four à arcs est représenté ci-contre. C'est l'exemple d'un four récent mono-électrode à courant continu, d'une capacité nominale de 150 tonnes. Le diamètre intérieur est de 6,5 m. La sole est garnie de réfractaires, les parois latérales et une partie de la voûte sont refroidies par circulation d'eau. L'électrode de graphite au-dessus du bain peut atteindre une diamètre de 750 mm pour les fours mono-électrode de forte puissance, (140 MVA), qui peuvent mettre en œuvre des intensités atteignant 140 kA.

C 7 -1/A

phase de réduction : la phase précédente conduit à un métal très oxydé (riche en FeO) qu'il faut réduire.

00529_I_F

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25

C 7 -1/A

La demande croissante d'aciers de haute qualité a conduit au développement de l'affinage en poche qui est basé essentiellement sur les traitements de dégazage sous vide, combinés ou non avec l'action de laitiers synthétiques et le réchauffage du bain liquide. La désoxydation (ou réduction) a lieu au cours de cette étape par l'introduction d'additions désoxydantes comme le ferro-silicium ou l'aluminium ; on obtient des aciers calmés au silicium ou l'aluminium. La mise à nuance a lieu au cours de cette étape par additions de ferro-alliages ou autres tels que Fe-Mn, Fe-Nb, = Fe-V, Si-Mn, etc. L'addition de manganèse permet de piéger le soufre sous forme de MnS et d'éviter la formation de FeS qui constitue avec le fer un eutectique à bas point de fusion dont la présence compromettrait l'aptitude au travail à chaud de l'acier. Après traitement en poche, la teneur totale des éléments résiduels S, P, O, N, H peut atteindre des niveaux très bas de l'ordre de 50 ppm.

2-

STRUCTURE CRISTALLINE DE L'ALLIAGE FER-CARBONE α" a - Structure du fer à la température < 900°C ⇒ Fe"α

(c)

D MAC 217 C

(a)

(b)

00529_I_F

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26

C 7 -1/A

b - Structure du fer à la température > 900°C ⇒ Fe"γγ"

(a)

D MAC 218 B

(c)

(b) c - Structure de l'alliage fer-carbone (acier) • Entre 727°C et 1487°C en fonction de la teneur en carbone Atome de fer

Atomes de carbone dans fer "γ" ⇒ AUSTÉNITE (A) (teneur maximum possible 2,11 % à 1148 °C)

D MAC 219 A

Atome de carbone

• Entre la température ambiante et 912°C en fonction de la teneur en carbone Atome de fer

Atomes de carbone dans fer ⇒ CÉMENTITE (Fe3c)

Cémentite ou carbure de fer Fe3C : de composition égale à 6,67 % en masse de carbone, ce carbure est un composé interstitiel à maille orthorhombique. 00529_I_F

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D MAC 219 D

Atomes de carbone dans fer "α" ⇒ FERRITE (F) (teneur maximum possible 0,0218 % à 727 °C)

D MAC 219 C

Atome de carbone

27

C 7 -1/A

La cémentite est un carbure métastable, qui a tendance à se décomposer en ferrite (ou austénite) et graphite : Fe 3 C → 3 Fe + Cgr

∆H = – 23 kJ/mol –1

Cette transformation ne se manifeste qu'à température suffisamment élevée dans des circonstances particulières.

3 - DIAGRAMME DE TRANSFORMATION DANS LA PHASE SOLIDE DE L'ALLIAGE FER-CARBONE (OU ACIER ALLIÉ) a - Diagramme d'équilibre fer-carbone (voir page suivante) Les lignes en traits interrompus correspondent à l'équilibre fer-graphite tandis que les lignes en traits pleins correspondent à l'équilibre fer-cémentite.

00529_I_F

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28

Austénite

C 7 -1/A

(a) Fonte blanche (à cémentite)

(b) Fonte perlitique à graphite lamellaire

(c) Fonte ferritique à graphite sphéroïdale

1800 1600 (Fer - δ) 1400

Liquide

1538° 1495°

Solubilité du graphite dans le fer liquide

1394°

1227°

4,26

1000

(Fer - γ) Austénite 912°

4,30

6,67

Cémentite + (Fe3C)

738° 727°

Ferrite + cémentite

Ferrite Perlite + + 200 perlite cémentite 0

1148°

Austénite + cémentite

Acm

0,77 A1

600 (Fer - α) ferrite 400

2,11

A3 0,68

800

1154°°

0,0

1,0

(a) (b) (c)

2,0 3,0 Carbone %poids

Aciers

4,0

5,0

6,0

Fontes

Ferrite

Perlite

00529_I_F

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7,0

D MAC 1046 A

Ferrite + Austénite

Température (°C)

1200

2,08

29

C 7 -1/A

Le système binaire Fe-C peut subir deux types d'évolution selon que la phase riche en carbone qui se forme est la cémentite (Fe3C) ou le graphite (Cgr) : -

si la phase riche en carbone formée est Fe3 C, l'évolution du système est décrite dans les conditions d'équilibre par le diagramme métastable ou à cémentite

-

si la phase riche en carbone formée est C gr l'évolution du système est décrite dans les conditions d'équilibre par le diagramme stable ou à graphite

Ces deux types d'évolution n'interviennent jamais simultanément. Dans le cas des fontes à partir d'une même coulée, on peut obtenir des matériaux allant d'une fonte blanche (à cémentite) à une fonte grise à graphite grossier, en agissant sur la vitesse de refroidissement (Vr). En effet, le phénomène de graphitisation dépend : -

de la vitesse de refroidissement (nature de la paroi du moule, massivité de la pièce). La graphitisation est d'autant plus facile que Vr est plus faible

-

de la présence d'éléments graphitisants tels que Si ou antigraphitisants tels que Mn

-

de la mise en œuvre du traitement d'inoculation (ou graphitisant)

Le graphite (carbone pur, Cgr) est la forme stable de la phase riche en carbone dans le système fer-carbone, la solubilité du fer dans le carbone est nulle. α, δ) : b - Influence sur l'étendue des domaines d'existence des solutions solides CFC(γγ) et CC(α

Modifications du domaine γ par Ni, Mn, Si, Mo, Cr

00529_I_F

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30

C 7 -1/A

c - Modification de la nature des carbures en équilibre La présence de carbone dans les aciers peut conduire à la formation de carbures avec les éléments d'alliage. Les éléments Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb sont carburigènes. Les carbures formés sont de deux types selon la nature de l'élément et sa teneur : -

cémentites alliées : (Fe, X)3C orthorhombique

-

carbures spéciaux : (Fe, X)mC n ; les types principaux sont M23C 6 -M 6 C-M2 C-M7 C 3 -MC où M désigne un ou plusieurs éléments métalliques

Dans les aciers : -

le manganèse ne forme que des cémentites alliées

-

le chrome a une forte tendance à former des cémentites alliées bien qu'il existe des carbures de chrome spéciaux

-

le molybdène et le tungstène en forment des deux types ; par exemple (Fe, Mo)3, MoC, (Mo, Fe)6 C apparaissent sur la coupe ternaire Fe-Mo-C à 700°C ci-dessous

-

le vanadium, le titane, le niobium, le zirconium forment surtout des carbures spéciaux

00529_I_F

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31

C 7 -1/A

TABLEAU RÉCAPITULATIF DE L'INFUENCE DES ÉLÉMENTS D'ADDITION SUR LES PROPRIÉTÉS DES ACIERS

C

Mn

Si

Limite élastique

Ê

Ê

Résistance à la rupture (R)

Ü

Allongement

Ý

R à température élevée

Ê

Résistance au fluage

Ê

Ni

Cr

Mo

V

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ü

Ü

Ê

Ü

Ê

Ê

Ë

Ë

Ë

Ë

Ë

Ü

Ü

Ê

Ü

Résistance à la fatigue

Ê

Ê

Ü

Ü

Ê

Ê

Ê

Al

Ë

Ê

Ê

W

Co

Cu

Ê

Ê

Ë

Ë

Ê

Ê

S

P

Ti

Ta

Nb

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ý

Ë Ê

Ê Ê

ACl

Ý

Ü

Ê

Ý

Ü

Ê

Ê

Ê

AC 3

Ë

Ê

Ê

Ë

Ê

Ê

Ê

Ê

Ë

Ë

Ê

Ê

Ê

Ê

Ë

Ë

Ë

Ê

Ê

Ë

Ë

Ë

Ë

Ë

Ê

Ë

Ë

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ü

Ü

Ü

Plage austénitique

Ê

Ê

Ë

Ë

Ê

Ý

Grosseur du grain

Ê

Ü

Ê

Ý

Ë

Ê

Ý

Ê

Ë

Ë

Ë

Ë

Tendance à la surchauffe Résistance à l'oxydation

Ü

Ü

Ë

Ü

Ü

Fragilité à chaud

Ü

Vitesse critique de trempe

Ë

Ë

Ý

Ë

Ë

Ë

Ë

Ê

Trempabilité

Ü

Ü

Ü

Ü

Ü

Ê

Ê

Ê

Dureté

Ü

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Stabilité au revenu

Ë

Ê

Ê

Ê

Ü

Ü

Ê

Ü

Formation de carbures

Ü

Ü

Ê

Ü

Ê

Résistance aux chocs

Ë

Ê

Ë

Ë

Ê

Influence :

Ê

Ë

Ê augmentée Ü fortement augmentée

Ê

Ë

Ë diminuée Ý fortement diminuée

00529_I_F

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Ê

Ê

Ë

32

C 7 -1/A

4 - TRANSFORMATION ANISOTHERME DE L'AUSTÉNITE (COURBES TRC : TRANSFORMATION DE L'AUSTÉNITE EN REFROIDISSEMENT CONTINU)

Ferrite Perlite

Bainite

D MAC 1060 A

Martensite

Diagramme TRC de l'acier 43 Cr4 (42C4) (Atlas IRSII)

00529_I_F

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33

C 7 -1/A

Le tableau ci-dessous résume les constitutions obtenues après refroidissement jusqu'à l'ambiante selon les lois de 1 à 12 en supposant yA rés = 0.

Courbes

yF

yP

yB

yM

HRC

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0 0 0 0 0 0,02 0,03 0,15 0,35 0,40 0,40 0,40

0 0 0 0 0 0 0,04 0,20 0,50 0,60 0,60 0,60

0 0 0 0,07 0,20 0,40 0,60 0,40 0,05 0 0 0

1 1 1 0,93 0,80 0,58 0,33 0,25 0,10 0 0 0

59 59 56 53 50 42 38 36 27 20 18 214 HRC

La ligne en tirets dans les domaines bainitique et ferrito-perlitique correspond au taux de transformation de l'austénite [de 0,5 (50 %)]. Pour un même acier et à des conditions d'austénisation identiques, les débuts de transformation de l'austénite en refroidissement continu sont déplacés vers le bas et vers la droite par rapport aux transformations en conditions isothermes. En effet un refroidissement continu correspond à une suite de séjours isothermes élémentaires à des températures où les temps d'incubation sont très grands.

00529_I_F

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C 7 -1/A

• Micrographies des structures évoquées ci-dessus

FERRITE + BAINITE

D MAC 1065 B

MARTENSITE

MARTENSITE + BAINITE

FERRITE + PERLITE

00529_I_F

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35

5-

C 7 -1/A

MODIFICATIONS DE STRUCTURE AU VOISINAGE D'UN CORDON DE SOUDURE

ZAC

Weld

D MAC 1089 A

État initial du métal de base

600 °C

Ac1

Ac3

1100 °C

•

Zone I : la température n'y dépasse pas 600 °C environ, aucune modification décelable du métal de base.

•

Z o n e I I : la température est comprise entre 600 °C et Ac1. On peut y déceler certaines modifications selon l'état initial du métal de base : précipitations, revenu, globulisation.

•

Zone III : la température est comprise entre Ac1 et Ac3 . Les modifications sont importantes (cf. : diagramme de phases). L'austénitisation partielle peut conduire à un affinement de structure au refroidissement. La zone est le début de la ZAC : Zone Affectée par la Chaleur appelée aussi ZAT : Zone Affectée Thermiquement.

•

Zone IV : la température est comprise entre Ac3 et 1100 °C environ. Après refroidissement on obtient des structures normalisées et des structures grossières selon la température atteinte.

•

Z o n e V : la température est comprise entre 1100 °C et 1500 °C (fusion). Le grossissement du grain austénitique est tel que la trempabilité du métal est considérablement augmentée et les structures obtenues dans cette zone après refroidissement varient de structures aciculaires très grossières à des structures de trempe pour les vitesses les plus élevées. D'après AFNOR

00529_I_F

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36

C 7 -1/A

IV - DÉSIGNATION CONVENTIONNELLE DES ALLIAGES FERREUX 1-

DÉFINITION DES ACIERS Selon la norme européenne EN 10020, un acier est un alliage Fer + Carbone comportant moins de 2 % de carbone. Au-delà de 2 %, il s’agit de fonte (tableau ci-dessous). Fonte Aciers au carbone

Fer + Carbone > 2 % Fer + Carbone Carbone < 2 %

Aciers spéciaux

Fer + Carbone Carbone < 2 % + Chrome   mini 5 % ou Nickel ou Molybdène 

Aciers inoxydables

Fer + Carbone Carbone ≤ 1,2 % Chrome > 10,5 %

Les aciers alliés sont des aciers spéciaux, auxquels l’aciériste ajoute des éléments d’alliage (minimum 5 %). Les éléments d’alliage les plus fréquents sont : -

chrome molybdène silicium titane niobium zirconium

-

aluminium vanadium nickel manganèse azote cuivre

Les aciers inoxydables sont des aciers alliés avec un chrome supérieur ou égal à 10,5 % et un carbone inférieur à 1,2 %, selon définition de la norme EN 10020. Ils peuvent comporter d’autres éléments d’alliage (voir ci-dessus).

2-

NORMALISATION FRANÇAISE (normes AFNOR) a - Aciers non alliés Les tableaux des pages suivantes donnent quelques exemples du système de symbolisation.

00529_I_F

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37

C 7 -1/A

ACIERS NON ALLIÉS POUR USAGE GÉNÉRAL

Symbolisation

Définition

E 28.3 suivant NF A 35501

Acier de construction d’usage général E 28 = Limite élastique minimale garantie > 28 daN/mm 2 3 = Indice de qualité

E 355 FP1 suivant NF A 36201

Acier à haute limite d’élasticité pour constructions soudées FP1 = pour utilisation à température < ambiante

A 42 CP A 42 AP A 42 FP suivant NF A 36205

Acier pour chaudière et appareils à pression A 42 = résistance minimale à la rupture > 42 daN/mm 2 CP = pour utilisation à température > ambiante AP = pour utilisation à température = ambiante FP = pour utilisation à température < ambiante

A 590 AP suivant NF A 36207

Acier à haute limite d’élasticité pour appareils à pression AP = pour utilisation à température ≥ ambiante

Tu 42 C Tu 42 BT suivant NF A 49213 et NF A 49230

Tubes sans soudure en aciers non alliés C = pour utilisation aux températures élevées BT = pour utilisation aux basses températures

Tu E 250 b Tu E 250 b1 Tu E 250 b2 suivant NF A 49211

Tubes sans soudures en aciers non alliés b = sans garantie de résilience b1 = avec garantie de résilience à 0°C b2 = avec garantie de résilience à – 20°C

TS E 24 suivant NF A 49250

Tube soudé avec ou sans conditions particulières de livraison E 24 = limite élastique minimale garantie > 24 daN/mm2

BF 48 N BF 48 F suivant NF M 87508

Brides en acier forgé N = pour usage à température normale F = pour usage aux basses températures

A 42 C-M suivant NF A 32055

Aciers moulés pour chaudière et appareils à pression A 42 = résistance minimale à la rupture > 42 daN/mm 2 C = pour utilisation à température > ambiante M = acier moulé

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38

C 7 -1/A

ACIERS NON ALLIÉS POUR TRAITEMENT THERMIQUE

Symbolisation

Définition

C.C. 10

Acier de construction courante à 0,10 % de carbone

X.C 10 suivant NF A 35551

Acier de construction non allié pour cémentation à 0,10 % de carbone

Nota : la qualité X.C a une fourchette de composition chimique plus serrée que la qualité C.C.

b - Aciers faiblement alliés Il s’agit d’aciers dont aucun élément d’alliage ne dépasse 5 %. La symbolisation est donnée par la composition chimique de l’acier. Symboles des éléments d’addition A

Aluminium (Al)

D

Molybdène (Mo)

R

Antimoine (Sb)

N

Nickel (Ni)

Az

Azote (N)

Nb

Niobium (Nb)

Bi

Bismuth (Bi)

P

Phosphore (P)

Be

Béryllium (Be)

Pb

Plomb (Pb)

B

Bore (B)

Se

Sélénium (Se)

Cd

Cadmium (Cd)

S

Silicium (Si)

C

Chrome (Cr)

F

Soufre (S)

K

Cobalt (Co)

Ta

Tantale (Ta)

U

Cuivre (Cu)

T

Titane (Ti)

E

Étain (Sn)

W

Tungstène (W)

Fe

Fer (Fe)

V

Vanadium (Va)

G

Magnésium (Mg)

Z

Zinc (Zn)

M

Manganèse (Mn)

Zr

Zirconium (Zr)

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C 7 -1/A

Exemple : 15

CD

2,05

% C . 100 Éléments d’addition Teneurs en éléments d’addition x 4 pour C, K, M, N, S x 10 pour les autres Symbolisation

Définition

15 CD 2.05 suivant NF A 36206

Acier légèrement allié au chrome-molybdène contenant 0,15 % de carbone, 0,5 % de chrome, 0,5 % de molybdène Appellation commerciale : CHROMESCO 1

10 CD 9.10 suivant NF A 36206

Acier légèrement allié au chrome-molybdène contenant 0,10 % de carbone, 2,25 % de chrome, 1 % de molybdène Appellation commerciale : CHROMESCO 3

12 N 14 suivant NF A 36208

Acier légèrement allié au nickel contenant 0,12 % de carbone, 3,5 % de nickel

c - Aciers fortement alliés Il s’agit d’aciers dont un élément d’alliage au moins dépasse 5 %. La symbolisation est donnée par la composition chimique de l’acier. Z

10

C.D

5,05

désigne un acier fortement allié % C . 100 Éléments d’alliage Teneurs en % des éléments d’alliage

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C 7 -1/A

Symbolisation

Définition

Z 10 CD 5.05 suivant NF A 36206

Acier fortement allié au chrome-molybdène contenant 0,10 % de carbone, 5 % de chrome, 0,5 % de molybdène

Z8N9 suivant NF A 36208

Acier fortement allié au nickel contenant 0,08 % de carbone, 9 % de nickel

Z 2 CND 17.12 suivant NF A 36209

Acier fortement allié au chrome-nickel contenant 0,02 % de carbone, 17 % de chrome, 12 % de nickel et du molybdène (acier inoxydable austénitique)

d - Exemples de désignation d’alliages dont le fer n’est plus l’élément majoritaire Symbolisation

Définition

Ni Mo 16 Cr 15

Alliage de nickel (base) contenant 16 % de molybdène et 15 % de chrome Appellation commerciale : Hastelloy C

U - Z 35 A 5

Alliage de cuivre (base) contenant 35 % de zinc et 5 % d’aluminium (laiton)

Cu Ni 10 Fe 1 Mn

Alliage de cuivre (base) contenant 10 % de nickel, 1 % de fer et du manganèse (cupronickel) Appellation commerciale : METONIC 10

T 40

Titane à 99 % Résistance minimale à la rupture ≥ 40 daN/mm2

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41

3-

C 7 -1/A

DÉSIGNATION SUIVANT LA NORME NF EN 10027 - 1er Novembre 1992 a - Aciers désignés à partir de leur emploi et leurs caractéristiques mécaniques La désignation normalisée d’une nuance d’acier est réalisée à l’aide : -

symboles principaux Le premier symbole est une lettre : • • • •

S = aciers de construction (structure métallique) P = appareils à pression L = aciers pour tubes de conduite E = aciers de construction mécanique (engine)

Ce symbole est suivi d’une valeur numérique indiquant la valeur de la limite d’élasticité garantie exprimée en N/mm2. -

symboles additionnels Un certain nombre de symboles additionnels ont été définis dans la FD A 02-005-3. Parmi eux, il est possible de citer : • symbole de résilience * * * *

JR pour 27 J à 20°C J4 pour 27 J à – 40°C K2 pour 40 J à – 20°C L5 pour 60 J à – 50°C

• symbole de mode d’élaboration * * * *

G1 pour acier effervescent G2 pour acier non effervescent G3 pour acier normalisé G4 état de livraison fixé par le producteur

• symbole de procédé d’obtention de l’état structural * M laminage thermomécanique * N laminage normalisant * Q trempé et revenu (QA trempé à l’air/QL trempé dans un liquide) • symbole d’aptitude à la température * L acier basse température * H acier pour appareils à pression à température élevée

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• Exemple d’application NF EN 10025 Acier de construction mécanique à limite supérieure d’écoulement ReH > 295 N/mm2 (ex. A 50-2)

E 295

S 235 J0

Acier de construction de structure à limite supérieure d’écoulement R eH > 235 N/mm2 (ex. E 24-3) Résilience KCV garantie à 0°C > 27 Joules

S 355 J2 G3 W

Acier de construction de structure à limite supérieure d’écoulement R eH > 355 N/mm2 Résilience KCV garantie à – 20°C > 27 Joules Acier normalisé W - Résistant à la corrosion atmosphérique

NF EN 10028 partie 2

P 235 G H

Acier pour appareil à pression à limite supérieure d’écoulement R eH > 235 N/mm2 (ex. A 37 FP) Pour teneur à haute température

P 355 N L 1

Acier pour appareil à pression à limite supérieure d’écoulement R eH > 355 N/mm2 (ex. A 510 FP1) Obtention par laminage normalisant Résilient à basse température

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C 7 -1/A

43

C 7 -1/A

b - Aciers non alliés désignés à partir de leur teneur en carbone Leur désignation utilise pour premier symbole la lettre C suivit d’un nombre à deux ou trois chiffres exprimant la teneur moyenne en carbone exprimée en centième de pour cent. Ce nombre peut être suivi d’un symbole additionnel. Exemple :

C 35

acier à 0,35 % de carbone.

c - Aciers faiblement alliés La teneur d’aucun élément d’alliage ne dépasse 5 %. Ces aciers sont définis par : - un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone - une série de symboles, correspondant aux éléments d’alliage, rangés par teneur décroissante et désignés par leur symbole chimique - un ou deux nombres indiquant la teneur du ou des deux éléments principaux d’addition, en multipliant la teneur en % : • • • •

pour Cr, Co, Mn, Ni, Si, W pour Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr pour Ce, N, P, S pour B

Exemple :

35 Cr Mo 4

par 4 par 10 par 100 par 1000

(ex. 35 CD 4)

Acier faiblement allié au chrome-molybdène composé de 0,35 % de carbone, 1 % de chrome et du molybdène. NF EN 10028 partie 2 10 Cr Mo 9.10

(ex. 10 CD 9.10)

Acier faiblement allié au chrome-molybdène composé de 0,10 % de carbone, 2,25 % de chrome et de 1 % de molybdène. d - Aciers fortement alliés La teneur d’un élément d’addition est supérieure ou égale à 5 %. Ces aciers sont définis par : -

la lettre X

-

la teneur moyenne en carbone exprimée en centième de pour cent

- une série de symboles, correspondant aux éléments d’alliage, rangés par teneur décroissante et désignée par leur symbole chimique -

la teneur en % d’une partie des éléments d’alliage Exemples :

X6 Cr Ni Mo Cu 15.04

(ex. Z6 CNDU 15.04)

Acier fortement allié au chrome-nickel composé de 0,06 % de carbone, 15 % de chrome, 4 % de nickel et de molybdène ainsi que de cuivre

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44

4-

C 7 -1/A

ÉQUIVALENCE DES NUANCES NORMALISÉES L’évolution récente de la normalisation, a amené quelques organismes utilisateurs à émettre des tableaux de nuance équivalente dans les diverses normalisations nationales. Ces équivalences sont plutôt basées sur une équivalence d’ordre de composition chimique, que sur une équivalence d’ordre de caractéristiques mécaniques. Le tableau suivant propose quelques exemples de ces équivalences. NFA 35501 E24 3P E24 4P E28 3P E28 4P NFA 36205 A 37 CP A37 AP

NF EN 10207 SPH 235

NF EN 10028

ASTM

DIN

BS 1501

A285 grC/A414 gr C A515 gr55 A515 gr65 A516 gr55/A516 gr65 A442 gr55 A516 gr55+S5/A20 A414 grD A515 gr60/A414 grE A516 gr60/A442 gr60

DIN 17155 HI

161-gr360 161-gr400

DIN 17155 HI

164-gr360

SPH 265 Part 2 P235GH SPH 235

A37 FP A42 CP

P235GH P265GH

A42 AP

SPH 265

A42 FP A48 CP

SPHL 275

P295GHG

A48 AP A48 FP A52 CP A52 AP A52 FP

P355GH

NFA 36206 15D3 18MD4.05 15MDV4.05 15CD2.05 15CD4.05 10CD9.10

Part 2 16Mo3

A516 gr60+S5/A20 A515 gr70/A414 grG A414 grF/A537 a1/A299 A516 gr70 A662 grC/A738 A516 gr70/S5/A20 A414 frG/A612/A537 a1 A 537 a1+S5/A20/A738

DIN 17135 ASt35 DIN 17155 HII DIN 171555 HII DIN 17135 ASt41 DIN 17155 17 Mn4 DIN 17155 17 Mn4 DIN 17135 ASt45 DIN 17155 Mn6 DIN 17155 19 Mn6 DIN 17135 ASt52

A612+S5/A20

10CD12.10 Z10CD5.05 NFA 36207 A510 AP A510 FP A530 AP A530 FP A550 AP A550 FP A590 AP A590 FP NFA 36208 0,5Ni285 (10N2) 355 1,5Ni285 (15N6) 3,5Ni285 (12N14) 5 Ni 390 (Z10N05) 9 Ni 490 (Z8N09)585

15MnMoV4-05 13CrMo4-5 10CrMo9-10 11CrMo9-10 Part 3 P275N P355N P355NH P355NL1

A204 grA A302 grA A387 gr2a2 A387 gr12a2 A387 gr22a2

A737 grC P460N P460NH P460NL1 P460NL2 Projet Part 4 11 MNNi5-3 13 MnN16-3

A735 a2

224-gr460 224-gr460 224-gr400 224-gr490 224-gr490 224-gr460

DIN 17155 15Mo3

240

DIN 17155 13Cr-Mo4.4 DIN 17155 10Cr-Mo9

620-gr27 (1 % Cr) 622/515 (2,25 % Cr) 622 gr31

StE355 DIN 17102-73 W StE355 T StE355 E StE355 WSTE380 TSTE380 WSTE420 TSTE420 StE460 WStE460 TStE460 EStE460

223-gr490

A387 gra2 A387 gr5 A737 grB

161-gr400 161-gr430 164-gr360 164-gr400 224-gr400

225-gr490

DIN 17280 14Ni6

15 NiMn6 12Ni4G1 12NiG2

203 grE

DIN 17280 10Ni14

A645

DIN 17280 12Ni19

X8Ni9

A353

DIN 17280 X8Ni9

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503 (3,5 % Ni)

510 (9 % Ni)

45

C 7 -1/A

Les tableaux ci-dessous établissent, à titre indicatif, une comparaison entre les nuances d’aciers et d’alliages réfractaires définies par la norme NF A 36-209 et les nuances de la forme NF EN 10028-7. Cette correspondance peut dans certains cas n’être qu’approchée. Correspondance des désignations des aciers inoxydables entre la NF EN 10028-7 et la NF A 36-209:1990

Désignation selon la NF EN 10028-7

Désignation selon NF A 36-209:19901

Désignation selon NF EN 10088-1

Aciers ferritiques

Ancienne norme selon NF A 35574 et 575

Nuance AISI

Aciers ferritiques

X2CrNi12

—

X6 Cr13

Z6 C13

403

X6CrNiTi12

Z8CNT12

X5 Cr17

Z6 C17

430

X2CrTi17

—

X6 CrMo17-1

Z8 CD17-01

430F

X3CrTi17

Z4CT17

X2CrTiNb18

Z3CTNb18

X2CrMoTi18-2

Z3CDT18-02

Aciers martensitiques

Aciers martensitiques

X3CrNiMo13-4

Z6CN13-04

X12 Cr13

Z12 C13

410

X4CrNiMo16-5-1

Z6CND16-05-01

X17 CrNi16-2

Z15 CN16-2

431

Z100 CD17

440C

1 La norme NF A 36-209:1990 ne prend pas en compte les aciers inoxydables ferritiques ou martensitiques. Les correspondances des désignations ont été établies en se référant à la norme NF A 35-573:1990 relative aux produits plats en aciers inoxydables d’usage général (remplacée depuis Novembre 1995 par la NF EN 10088-2).

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46

C 7 -1/A

Correspondance des désignations des aciers inoxydables austénitiques entre la NF EN 10028-7 et la NF A 36-209:1990

Désignation selon la NF EN 10028-7

Désignation selon

Symbolique

NF A 36-209:19901

X2CrNi18-9 X2CrNi19-11 X2CrNiN18-10 X5CrNi18-10 X6CrNi18-10 X6CrNi23-13 X6CrNi25-20 X1CrNi25-21 X6CrNiTi18-10 X7CrNiTi18-10 X6CrNiNb18-10 X8CrNiNb16-13 X2CrNiMo17-12-2

X3CrNiMo17-13-3 X2CrNiMoN17-11-2 X5CrNiMo17-12-2 X6CrNiMoTi17-12-2 X6CrNiMoNb17-12-2 X2CrNiMo17-12-3 X2CrNiMo17-13-3 X3CrNiMoN17-13-3 X2CrNiMoN17-13-5 X2CrNiMoN18-12-4 X2CrNiMo18-14-3 X2CrNiMo18-15-4 X1CrNiMoN25-22-2 X1CrNiMoCuN25-25-5 X1CrNiMoCuN20-18-7 X1NiCrMoCu25-20-5 X1NiCrMoCuN25-20-7 X1NiCrMoCu31-27-4 X5NiCrAlTI31-20 X8NiCrAlTi32-21 1 2

Z4CN19-10 Z3CN18-10 Z3CN18-10 Az Z6CN18-09 Z7CN18-09 — Z8CN25-20 Z1CN25-20 Z6CNT18-10 Z6CNT18-10 B 2 Z6CNNb18-10 — Z2CND17-12 (NFA 35574) Z3CND17-11-02 ; Z3CND18-12-03 Z4CND18-12-03 Z6CND18-12-03 Z3CND17-11 Az Z7CND17-11-02 Z6CNDT17-12 Z6CNDNb18-12 Z3CND17-12-03 Z3CND17-12 Az — Z3CND18-14-05 Az Z3CND19-14 Az Z3CND18-14-031 Z3CND19-15-04 Z2CND25-22 Az Z2NCDU25-25-05 Az — Z2NCDU25-20 — Z2NCDU31-27 Z5NC32-21 Z10NC32-21 ; Z8NC33-212

Nuance spécifiée uniquement dans NF A 35-573:1990 Nuance spécifiée uniquement dans NF A 35-578:1991

00529_I_F

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Nuance AISI

304 L

304 304 H

321 347 316 L

316 316 Ti

47

C 7 -1/A

Correspondance des désignations des aciers inoxydables austéno-ferritiques entre la NF EN 10028-7 et la NF A 36-209:1990

Désignation selon la NF EN 10028-7

Désignation selon NF A 36-209:1990

USA

X2CrNiN23-4 (Uranus 35N)

Z3CN23-04 Az

Duplex 2304

X2CrNiMoN22-5-3 (Uranus 45N)

Z3CND22-05 Az

Duplex 2205

X2CrNiMoCuN25-6-3 (Uranus 52N)

Z3CNDU25-07 Az

DP 3 UNS : S32520

X2CrNiMoN25-7-4 (Uranus 47N)

Z3CND25-06 Az

Duplex 2507

X2CrNiMoCuWN25-7-4 (Uranus 76N)

Z3CNDU25-06 Az1

Zeron 100 UNS : S32760

X3CrNiMoN27-5-3 (NFEN 10088-1)

Z3CND27-5-3 (NFA 35574 et NFA 35575)

Symbolique

1 Correspondance approchée (divergences sur les teneurs en Cu et W)

Aciers inoxydables à durcissement par précipitation Désignation selon NF EN 10088-1

Ancienne norme selon NFA 35574 et 575

Nuance AISI

X7 CrNiAl17-7

Z8 CNA17-7

631 (17-7 PH)

X8 CrNiAl15-7-2

Z8 CND15-07

632 (15-7 PH)

X5 CrNiCuNb16-4

Z6 CNU17-4

630 (17-4 PH)

France AFNOR

USA AISI ou UNS Nr

X12CrNi 23.13

Z15 CN 23.13

309 S

X8CrNi 25.21

Z8 CN 25.20

310 S

X15CrNiSi 25.21

Z15 CNS 25.20

314

Aciers réfractaires EURONORMS NF EN 10027-1

00529_I_F

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48

5-

C 7 -1/A

DÉSIGNATION NORMALISÉE ASTM (American Society for testing materials) DES MATÉRIAUX UTILISÉS DANS LES INDUSTRIES PÉTROLIÈRES

Matériau

Tôle

Canalisation

Tube

Forgé

A214 (soudé) A179 (sans soudure)

A105 A266 Cl I, II, III

Aciers non alliés (Carbon steel) Acier carbone

A285 Gr A, B, C

Acier carbone, basse température Acier carbone calmé

Matériau

A53 Gr B A333 Gr 6

A350 Gr LF2

A516 Gr 55,70

A106 Gr B

A179

A105 A266 Cl I, II, III

Tôle

Canalisation

Tube

Forgé

Aciers alliés (Low alloyed steel) 1 Cr - 1/2 Mo

A387 Gr 12

A335 Gr P12

A213 Gr T12

A182 Gr F1 A336 Gr F1

11/4 Cr - 1/2 Mo

A387 Gr 11

A335 Gr P11

A199 Gr T11 A213 Gr T11

A 182 Gr F11

21/4 Cr - 1 Mo

A387 Gr 22

A335 Gr P22

A199 Gr T22 A213 Gr T22

A182 Gr F22 A336 Gr F22

3 Cr - 1 Mo

A387 Gr 21

A335 Gr P21

A199 Gr T21 A213 Gr T21

A182 Gr F21 A336 Gr F21

5 Cr - 1/2 Mo

A387 Gr 5L

A335 Gr P5

A199 Gr T5 A213 Gr T5

A182 Gr F5 A336 Gr F5

8 Cr - 1 Mo

A387 Gr 9 L

A335 Gr P9

A199 Gr T9 A213 Gr T9

A182 Gr F9

A203 Gr D, E, F

A333 Gr 3

A334 Gr 3

A350 Gr LF 3

A353 A553 TP I

A333 Gr 8

A334 Gr 8

A522 Gr I

31/2 Ni 9 Ni

00529_I_F

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49

Matériau

Tôle

Canalisation

C 7 -1/A Tube

Forgé

Aciers inoxydables ferritiques (Ferritic stainless steels) Type 12 Cr

405

Type 13 Cr

410

Type 13 Cr

410

Type 17 Cr

S 430

Matériau

A240 TP405

A268 Gr TP405

A268 Gr TP 405

A240 TP 410

A268 Gr TP410

A268 Gr TP410

A182 Gr F6a A336 Gr F6a

A240 TP 430

A268 Gr TP430

A268 Gr TP430

A182 Gr F430

Tôle

Canalisation

Tube

Forgé

A240 TP 410S

Aciers inoxydables austénitiques (Austenitic stainless steels) Type 18 Cr - 8 Ni

A 240 TP304

A312 Gr TP 304 A376 Gr TP304

A213 Gr TP304 A249 Gr TP304

A182 Gr F304 A336 Gr F304

A240 TP304L

A312 Gr TP304L

A213 Gr TP304L A249 Gr TP304L

A182 Gr F304L

A240 TP304H

A312 Gr TP304H A376 Gr TP304H

A213 Gr TP304H A249 Gr TP304H

A182 Gr F304H

A240 TP309S

A312 Gr TP309S

A249 Gr TP309S

A240 TP310S

A312 Gr TP310

A213 Gr TP310 A249 Gr TP310

A182 Gr F310 A336 Gr F25

Type 316 16 Cr - 12 Ni - 2 Mo

A240 TP316

A312 Gr TP316

A213 Gr TP316 A249 Gr TP316

A182 Gr F316 A336 Gr F316

Type 316L 16 Cr - 12 Ni - 2 Mo

A240 TP316L

A312 Gr TP316L

A213 Gr TP316L A249 Gr TP316L

A182 Gr F316L

Type 316H 16 Cr - 12 Ni - 2 Mo

A240 TP316H

A312 Gr TP316H A376 Gr TP316H

A213 Gr TP316H A249 Gr TP316H

A182 Gr F316H

Type 317 18 Cr - 13 Ni - 3 Mo

A240 TP 317

A312 Gr TP 317

A249 Gr TP 317

A276 TP317

Type 317L 18 Cr - 13 Ni - 3 Mo

A240 TP317L

A312 Gr TP317L

A249 Gr TP317L

Type 18 Cr - 10 Ni - Ti

321

A240 TP321

A312 Gr TP321 A376 Gr TP321

A213 Gr TP321 A249 Gr TP 321

Type 18 Cr - 10 Ni - Ti

321H

A240 TP321H

A312 Gr TP321H A376 Gr TP321H

A312 Gr TP321H A376 Gr TP321H

A182 Gr F321H

347

A240 TP347

A312 Gr TP347 A376 Gr TP347

A312 Gr TP347 A376 Gr TP347

A182 Gr F347 A336 Gr F8c

Type 347H 18 Cr - 10 Ni - Cb

A240 TP347H

A312 Gr TP347H A376 Gr TP347H

A312 Gr TP347H

A182 Gr F347H

Type 304 18 Cr - 8 Ni

304 L

Type 18 Cr - 8 Ni

304H

Type 23 Cr - 12 Ni

309S

Type 25 Cr - 20 Ni

310

Type 18 Cr - 10 Ni - Cb

A376 Gr TP347H

00529_I_F

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A182 Gr F321 A336 Gr F8t

50

Matériau

Tôle

C 7 -1/A

Canalisation

Tube

Forgé

Alliages base nickel (Nickel alloys) Hastelloy B-2 (67 Ni-28 Mo) - 2 Fe-1 Cr

B333

Hastelloy C-4 (Ni-Mo-Cr)

B575

Inconel 600 (72 Ni - 18 Cr - 10 Fe) Incoloy 800, 800 H (35 Ni-23 Cr-Fe)

Matériau

B619

B622

B-168

B167 B517

B516

B409

B407 B514

B515

Tôle

Canalisation

Tube

Forgé

B166 B564

Alliage base chrome (Chromium alloy) Alloy 20 (Cr-Ni-Fe-Mo- Cu-Cb)

Matériau

B463

B464

B468

B462

Tôle

Canalisation

Tube

Forgé

Alliages de cuivre (Copper alloys) Laiton d’amirauté (Cu - 30 Zn - 15 n)

B171 alloy 443, 444, 445

Laiton (Cu - 402 n - 0,755 n)

B171 alloy 464

Cupro-nickel (90 Cu - 10 Ni)

B171 alloy 706

B466 alloy 706

B111 alloy 706

B466 alloy 710

B111 alloy 710

B171 alloy 715

B466 alloy 715

B111 alloy 715

B127

B165

B163 alloy Ni-Cu

Cupro-nickel (80 Cu - 20 Ni) Cupro-nickel (70 Cu - 30 Ni) Monel (Ni-Cu)

B111 alloy 443, 444, 445

00529_I_F

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B564 alloy Ni-Cu B164

51

V-

C 7 -1/A

PRINCIPAUX MATÉRIAUX UTILISÉS DANS L’INDUSTRIE DU RAFFINAGE Désignation

Principaux usages

Aciers non alliés

Aciers de qualité Z

Aciers au chrome-molybdène

Aciers à 13 % de chrome (AISI 405 et 410)

Pour construction courante Traitement thermique des soudures pour réduire les risques de corrosion sous contrainte (H2 S, soude, MEA) Dureté maximale admissible 234 HBN en présence d’H 2 S Bonne résistance au blistering Bonne résistance à l’arrachement lamellaire Pour appareils contenant de l’hydrogène à chaud et sous pression (utilisation suivant courbes de Nelson) Pour la lutte contre la corrosion sulfureuse à chaud (tube de fours, lignes de transfert, …) Mêmes préconisations que les aciers non alliés en présence d’H2S humide Fragilisation possible pour des maintiens prolongés entre 370 et 540°C Réduire la pression en-dessous de 150°C Préchauffer les équipements aux environs de 120°C avant remise en service Contre la corrosion sulfureuse (doublage, plateaux de colonnes, …) Fragilisation possible par maintien prolongé entre 400 et 540°C Traitement thermique après soudage pour réduire les risques de corrosion sous contrainte par l’H2S

Aciers inoxydables austénitiques au chrome-nickel 18-8 AISI 304 18-8 AISI 304 L (bas carbone < 0,03 %) 18-8 Ti AISI 321 (stabilisé titane) 18-8 Nb AISI 347 (stabilité Niobium) 17-12 Mo AISI 316 ou 317 (avec du molybdène) 25-12 AISI 309 25-20 AISI 310

Bonne résistance à la corrosion sulfureuse à chaud (clad des réacteurs, tubes d’échangeurs) Meilleure résistance aux acides polythioniques pour les nuances stabilisées Meilleure résistance à la corrosion par piqûre et à la corrosion sous tension que les nuances 18-8 sans molybdène Aciers réfractaires pour éléments de fours (supports, guides, tubes, …)

Aciers austéno-ferritiques Z5 CNDU 21-8 (URANUS 50) Z2 CND 22-05 Az (URANUS 45N)

Réputés pour leur bonne tenue à la corrosion par les chlorures et à la corrosion par l’H2S (échangeurs sur eau sortant des dessaleurs)

00529_I_F

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52

Désignation

C 7 -1/A Principaux usages

Fontes grises

Sont fragiles de part la forme lamellaire du graphite

Ft 10 Ft 15 Ft 25 Ft 30 Ft 40

Sont donc d’emploi délicat

(le chiffre indique la résistance minimale en daN/mm2) Le graphite se trouve sous la forme de sphérules par suite de l’inoculation à la coulée de magnésium Fontes à graphite sphéroïdal (fonte GS)

Fontes NI RESIST

Ces fontes sont malléables et moins fragiles que les fontes grises Utilisation pour des réseaux d’eau d’incendie et certains éléments de machines Ces fontes contiennent du nickel et du chrome et parfois du cuivre Elles ont une bonne résistance à la corrosion (cas des pompes de dessalage) Le graphite peut être sous forme lamellaire ou sphéroïdale

Fontes au silicium (≅ 14 % Si)

Alliages de cuivre Laitons 70 % Cu - 30 % zn

Excellente résistance à la corrosion, à l’exception des milieux contenant de l’acide fluorhydrique Sont utilisés principalement sous forme de tubes pour échangeurs à eau saumâtre et eau salée Peuvent être sensibles à différentes formes de corrosion en présence de condensats fortement chargés en H2 S et en ammoniaque (piqûres, corrosion sous contrainte, dézincification)

Cupro-nickels

70 % Cu - 30 % Ni 90 % Cu - 10 % Ni

Pour des conditions plus sévères d’utilisation (eau de mer circulant à grande vitesse)

Aluminium et alliages d’aluminium

Résiste bien à la corrosion en présence d’H2S humide Sensibles à l’encrassement et à la corrosion par piqûres (tubes d’échangeurs côté eau) Bonne résistance aux acides naphténiques et à la corrosion sulfureuse à haute température (revêtement d’aciers au carbone)

Titane

A donné entièrement satisfaction du point de vue de la corrosionérosion par les produits chlorurés et les vapeurs de tête de distillation atmosphérique Température d’utilisation limitée à 260°C et 175°C en présence d’hydrogène Bonne résistance à la corrosion en présence de solutions aqueuses contenant des chlorures, de l’H2S et du dioxyde de soufre (ASTM grade 2) Le grade 12 de l’ASTM résiste mieux à la corrosion sous dépôts

00529_I_F

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Désignation

C 7 -1/A Principaux usages

Alliages de nickel Monel 400 70 % Ni - 30 % Cu

Inconel 600 72 % Ni - 18 % Cr - 10 % Fe Inconel 625 61 % Ni - 21,5 % Cr - 9 % Mo 3,5 % Nb

Incoloy 800 30 à 35 % Ni - 19 à 23 % Cr - Fe = solde Incoloy 801 32 % Ni - 20,5 % Cr - 1,1 % Ti Fe = solde

Bon comportement en présence d’acide fluorhydrique (alkylation) Bon comportement à l’eau de mer circulant à grande vitesse Applications impliquant les acides sulfuriques et chlorhydrique Ne résiste pas aux solutions concentrées chaudes de soude et aux solutions aérées d’ammoniaque Grande résistance à l’oxydation à chaud jusqu’à 950°C (gaines de thermocouples) Bonne résistance aux hydrocarbures halogénés Bonne résistance aux solutions de MgCl2 Grande résistance à l’oxydation Excellente résistance à la corrosion par piqûre, par crevasse et à la corrosion fissurante sous tension Excellente résistance à la corrosion par les acides polythioniques Résiste bien à la corrosion par l’H2 S et à la corrosion sous tension par les chlorures Résistance exceptionnelle à la corrosion sous tension par les acides polythioniques A une excellente résistance à la corrosion sous tension par les chlorures et les acides polythioniques

Incoloy 825 38 à 46 % Ni - 20 à 23 % Cr 2,5 à 3,5 % Mo - 1,5 à 3 % Cu Alliages de nickel (suite) Hastelloy C 276 56 % Ni - 16 % Cr - 18 % Mo 6 % Fe - 4 % W

Hastelloy B2 67 % Ni - 28 % Mo - 2 % Fe 1 % Cr

Excellente résistance aux acides minéraux forts (HCl, H 2 SO4 , HF) Excellente résistance à l’eau de mer même polluée Résiste bien au pitting et à la corrosion sous contrainte Bon comportement en atmosphère oxydante jusqu’à 1040°C Particulièrement recommandé en présence d’HCl Résiste bien au pitting Résiste bien à H2SO4 en l’absence de chlorures Ductilité réduite entre 540 et 820°C

00529_I_F

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54

C 7 -1/A

VI - CHOIX DES MATÉRIAUX EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE Température °C

Désignation des matériaux

< – 196

Inox 18/10 à l’azote ou 18/10 ou 18/12 ou 304 L (C < 0,035 ; Si < 1 ; Ni 6,5 ; Cr 18 ; Mn 8 ; N2 0,15)

de – 100 à – 196

Acier à 9 % Ni ou aluminium

de – 46 à – 100 de – 26 à – 46

Acier à 3,5 % Ni Acier au carbone calmé à l’aluminium

de – 29 à 450

Aciers au carbone (températures limites à vérifier suivant qualité)

de 450 à 525 de 525 à 550 de 550 à 575 de 575 à 600 de 600 à 625 de 625 à 650

Acier au carbone + 0,5 % Mo Acier au carbone + 0,5 % Cr + 0,5 % Mo Acier au carbone + 1,25 % Cr + 0,5 % Mo Acier au carbone + 2,25 % Cr + 1 % Mo Acier au carbone + 5 % Cr + 0,5 % Mo Acier au carbone + 9 % Cr + 1,25 % Mo Acier martensitique à 12 % Cr + éventuellement (Si + V ou Nb)

de 650 à 900 de 900 à 980 de 980 à 1100

Acier austénitique 18/10 + stabilisants (Ti ou Mo) 18/10 + Si 35 Ni + 20 Cr (ou 35 Ni + 15 Cr + 1,5 Si)

de 1100 à 1120

Acier réfractaire austénitique 25 Ni + 12 Cr Acier ferritique 27 % Cr

de 1120 à 1150

Acier réfractaire austénitique 25 Ni + 20 Cr (HK 40) 80 Ni + 20 Cr (Nichrome) - Manaurite 36 XS-60 Ni + 20 Cr Alliages à base Ni (15 à 20 % Cr) - Inconels et Nimonics

de 1150 à 1200

Incoloy 807 et 825 - Refractoloy 26 - Sirius Super HT - Manaurite 36 XA

En ce qui concerne les hautes températures, il est difficile de trancher. Les problèmes de fluage et d’oxydation sont intimement liés. On peut très bien avoir une bonne résistance à l’oxydation et une très mauvaise résistance au fluage, ce qui condamne irrémédiablement le matériau en question.

00529_I_F

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55

C 7 -1/A

VII - ORDRE DE GRANDEUR DU PRIX RELATIF DES MÉTAUX LES PLUS UTILISÉS DANS LES INDUSTRIES DE PROCÉDÉS

Masse volumique (g/cm3)

Prix relatifs

Acier non allié Acier inox X3 Cr Ni 18.10 (304 L) Acier inox X3 Cr Ni 17.12 (316 L) Acier inox X3 Cr Ni Mo Cu 25.20 (Uranus B6) Acier inox (Cronifer 19.25 hMo) Acier duplex : X 2 Cr Ni Mo N 22.5.3 (Uranus 45 N) X 3 Cr Ni Mo N 25.7.4 (Uranus 47 N)

7,85 7,9 7,9 8,0

1 ~5 ~ 6 ~ 12

8,1

~ 14

7,85

~7

Bases nickel

Nickel 200 Monel 400 Inconel 600 Incoloy 825 Hastelloy C 276 et C 22 Hastelloy B 2

8,9 8,8 8,4 8,2 8,9 9,2

22 à 44 20 à 32 20 à 36 15 à 26 30 à 50 44 à 64

Exotiques

Titane (grade 2) Zirconium Tantale

4,5 6,5 16,6

~ 40 ~ 60 ~ 800

Autres

Aluminium Cuivre Plomb Or Platine

2,7 8,9 11,3 19,3 21,5

~2 ~3 ~1 ~ 14000 ~ 17000

Famille Bases fer

Dénomination

00529_I_F

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C 7 -1/A

VIII- SOUDAGE DES MÉTAUX 1-

MÉTHODES D'ASSEMBLAGE a - Soudage autogène (qui s’engendre de lui-même) Le soudage autogène est une opération de "FUSION LOCALISÉE" de deux pièces de même nature en vue d'assurer leur liaison à un métal d'apport présentant une composition identique ou voisine de celle ces pièces de base. L'idéal est d'obtenir un assemblage disposant de propriétés uniformes (métal de base et métal apporté). Le métal apporté n'est pas nécessairement strictement identique au métal de base mais il possède des propriétés mécaniques voisines. Le mécanisme du soudage autogène résulte de la solidification d’un métal liquide sur un métal solide qui lui a donné naissance. La continuité métallique est assurée par le phénomène dit d’épitaxie, selon lequel les cristaux de solidification adoptent, en prenant naissance à l’interface, l’orientation des cristaux du métal solide support. Ainsi les édifices cristallins que sont les grains et les joints qui les séparent sont communs au métal de base demeuré solide et au métal fondu solidifié. Métal de base solide (MB)

Métal fondu solidifié (MF) Métal liquide Interface solide/liquide

Liaison MB/MF Métal fondu Zone affectée thermiquement

D MAC 1312 A

Métal de base

00529_I_F

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57

C 7 -1/A

b - Soudo-brasage Le soudo-brasage est une opération "SANS FUSION" destinée à lier deux pièces de même nature ou de nature différente. Le "MOUILLAGE" est réalisé à l'aide d'un métal d'apport de soudo-brasage ayant une température de fusion inférieure à celle des deux pièces de base. Ces dernières peuvent d'ailleurs avoir des températures de fusion différentes mais toujours supérieures à celle du métal de soudobrasage. L'assemblage du genre ouvert (chanfrein) est obtenu de proche en proche. La température de fusion du métal d'apport est supérieure à 450°C. c - Brasage Le brasage est identique au soudo-brasage, mais exécuté à une température encore inférieure et avec des produits "FLUIDES" à l'état liquide. On distinguera : – le brasage tendre (température de fusion du métal d'apport inférieure à 450°C) – le brasage fort (température de fusion du métal d'apport supérieure à 450°C) Le soudo-brasage et le brasage sont donc des assemblages hétérogènes aux propriétés mécaniques inférieures à celles d'une soudure. Ils sont préférables quand les matériaux de base sont particulièrement insoudables ou très dissemblables (fontes, aciers à outils, ...) quand les joints sont difficiles d'exécution (forme, épaisseur faible, épaisseurs très différentes), quand les propriétés mécaniques exigées sont faibles. Les métaux d'apport utilisés sont divisés en familles caractérisées par une lettre (voir NF A 81.361 et A 81.362). A →

famille ARGENT (constituants principaux argent, cuivre, zinc, parfois cadmium)

B →

famille PHOSPHORE-CUIVRE (cuivre, phosphore et argent)

C →

famille CUIVRE (cuivre, zinc et/ou argent)

D →

famille ALUMINIUM (aluminium, silicium)

E →

famille ÉTAIN sous famille :

F

→

Étain Étain-Plomb (et/ou antimoine) Étain-Zinc Étain-Argent Étain-Plomb-Zinc

famille CADMIUM-ZINC

00529_I_F

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58

C 7 -1/A

MÉTHODES D'ASSEMBLAGE

Soudage autogène

Acier

Acier

e > 5 mm

e < 5 mm

e > 5 mm

Joint homogène

60°

Acier

Acier

Le métal de base se dilue dans le métal "apporté" : il participe à la constitution du joint 1480 °C 1080 °C 650 °C

Température de fusion de l'acier Température de fusion de cuivre Température de fusion de l'aluminium

Soudo brasage

Acier

90°

Acier

Cuivre

e > 4 mm

e < 4 mm

e > 4 mm

Joint hétérogène

Fonte

Aucune dilution du métal de base dans le métal déposé Températures nécessaires au mouillage sur : — Acier 750 à 900 °C (rouge cerise) — Fonte 650 à 800 °C (rouge sombre) — Cuivre 890 °C — Aluminium 590 °C

Brasage

Joint hétérogène bAcier inoxydable b-

Acier Cuivre Acier inoxydable

La brasure déposée au chalumeau suivant les flèches "a" se propage par capillarité entre les tubes suivant la flèche "b"

a - Brasure fluide 600 à 800 °C 600 à 850 °C 600 à 650 °C

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MAC 1090 A

Tube en cuivre

D'après document SAF

59

2-

C 7 -1/A

PROCÉDÉS DE SOUDAGE Les différents procédés de soudage peuvent se différencier d'une manière très générale par la source d'énergie utilisée pour fondre le métal à souder et le métal d'apport : a - Soudage au gaz La source d'énergie, dans le soudage au chalumeau, est la flamme. Celle-ci peut être : – oxyacétylénique – oxypropane – oxhydrique – aéroacétylénique – aéropropane La fusion est provoquée par la chaleur dégagée lors de la combustion d'un mélange combustibleoxygène (ou autre). Le mélange préalable du combustible (gaz ou vapeur) avec de l'oxygène (ou air) est réalisé dans l'injecteur du chalumeau. La température maximum de la flamme à l'extrémité du dard est fonction du combustible choisi : 3100°C pour le mélange O2 - C 2 H 2 (acétylène) 2900°C pour le mélange O2 - C 3 H 8 (propane) b - Procédés de soudage électrique à l'arc La source d'énergie est l'arc électrique jaillissant entre le métal à souder et l'extrémité d'une électrode. On distingue : – soudage électrique à l'arc avec électrodes enrobées – soudage électrique à l'arc sous flux en poudre avec fil électrode ou électrode en bande – soudage MIG : soudage à l'arc sous protection de gaz inerte avec fil électrode fusible (le fil est plein, dévidé en continu ; le gaz de protection est inerte : Argon et/ou Hélium) – soudage MAG : soudage à l'arc sous protection de gaz actif avec fil électrode fusible (le fil est plein, dévidé en continu ; le gaz de protection est chimiquement actif : CO2 parfois avec O 2 ) – soudage TIG : soudage à l'arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène (l'arc électrique jaillit dans un gaz inerte (Argon) entre une électrode infusible et la pièce ; le métal d'apport est apporté dans cet arc) – soudage Plasma : le plasma est l'atmosphère gazeuse ionisée (conductrice) et chaude (8000 à 20000°C) globalement neutre ; elle forme la plus grande partie de la colonne d'un arc à travers laquelle s'effectue le passage du courant) – soudage à l'arc avec fil-électrode fourré avec ou sans gaz de protection (le fil plein des procédés MIG ou MAG est remplacé par un fil tubulaire contenant du flux en poudre)

00529_I_F

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60

C 7 -1/A

LE SOUDAGE OXYACÉTYLÉNIQUE

Buse

Divergent

Lance

injecteur Oxygène

2400 °C

cm

2850 °C 2700 °C

3050 °C 3100 °C 2950 °C

Acétylène

5

10

0

15

Température de combustion dans les différentes zones de la flamme oxyacèthylènique

Dard (bleu) C2-H2-O2

Zone réductrice (bleuâtre) CO - H2 - H

Panache (rose) CO2 - H2O - N2

1 vol. oxygène 1 vol. acétylène Mélange gazeux non brûlé Combustion primaire

Combustion secondaire Air 7,5 %

Température maximale Les différentes zones de la flamme oxyacèthylènique Soudage à gauche Tenue du chalumeau et de la baguette

Soudage à droite Tenue du chalumeau et de la baguette Mouvement du chalumeau 50° à 70°

45°

45°

Mouvement de la baguette D'après document SAF

00529_I_F

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D MAC 1091 A

45°

61

C 7 -1/A

SOUDAGE À L'ARC

EN COURANT CONTINU poste à redresseurs

Pince porte-électrode Is

50 Hz

GÉNÉRATEUR DE SOUDAGE

Us

Uo =

Pièce à souder

ou groupe rotatif SCHÉMA D'UNE INSTALLATION DE SOUDAGE

EN COURANT ALTERNATIF

poste statique

Pince porte-électrode

Is 50 Hz

GÉNÉRATEUR DE SOUDAGE

Uo

Us

50 Hz

Uo

E

∆L USIS ICC ∆I

I

INTENSITÉS MOYENNES DE SOUDAGE À PLAT ENROBAGE SEMI-ÉPAIS 30 A 50 A 70 A 105 A 150 A

25 A 40 A 60 A 95 A 130 A

1,6 2 2,5 3,15 4 e mm

Ø 1,6

1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20 25 30

25 A 35 — — — — — — — — —

Ø2 — 45 A 60 — — — — — — — —

ENROBAGE ÉPAIS

ÉLECTRODES R% = 110/130

ÉLECTRODES R% = 140/180

— — 80 A 115 A 170 A

— — 110 A 150 A 220 A

35 A 55 A 75 A 115 A 170 A Ø 2,5

— 55 A 70 85 90 — — — — — — — —

Ø 3,5 — — 90 A 100 110 120 125 130 130 — — — —

Ø4 — — — 130 A 130 140 150 160 170 180 190 200 200

Ø5

— — 160 A 160 170 190 200 210 220 230 250

Ø 6,3

— — — — — 230 A 250 270 300 320 320

D'après document SAF

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MAC 2067 A

ENROBAGE DIAMÈTRE MINCE DES ÉLECTRODES

62

C 7 -1/A

ÉLECTRODE ENROBÉE

Ame en acier Électrode Atmosphère gazeuse de l'arc

Enrobage

Pénétration de la soudure Laitier protecteur

Métal de base Arc proprement dit (passage des gouttes en fusion provenant de l'âme)

IONISATION

Stries de la chenille (laitier éliminé)

Cratère du bain de fusion

Cratère de la chenille

RÔLE MÉTALLURGIQUE Protection contre l'oxygène Protection contre l'azote

Amorçage et maintien de l'arc RÔLE ÉLECTRIQUE Tension d'amorçage d'une électrode

Apport de compensation en éléments Mn.Cr, etc... Protection par formation d'un LAITIER

RÔLE MÉTALLURGIQUE

Protection par atmosphère gazeuse

Ua Uo Tension à vide d'un poste

CRATÈRE

RÔLE OPÉRATOIRE

Guide les gouttes comme un canon de fusil dirige les plombs D'après document SAF 00529_I_F

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D MAC 2069 A

RÔLE MÉCANIQUE

eur

d fon

Pro

— Souplesse de fonctionnement — Cratère de l'électrode : pas de collage. — Automatisme manuel possible — Le cratère constitue un isolant électrique. — Soutien du métal en fusion par le laitier (en position) : — Le laitier par sa viscosité constitue un "Balcon"

Baguette

°

90

90°

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

70°

to 8

0°

SOUDAGE AU PLAFOND

100° to 110°

SOUDAGE EN MONTANT

1

2

7

Passes 4 et 6

Passes 3 et 5

Passes 1 - 2 et 7

90°

6 4

70° to 80°

60°

Position de l'électrode

3

5

SOUDAGE À PLAT

60°

90°

80°

Passes 4 et 7

Passes 3 et 5

Passes 1 - 2 et 6

Position de l'électrode

70° to 80°

30°

30°

1

2 3

4

SOUDAGE EN CORNICHE

MÉTHODES DE SOUDAGE ET POSITIONS D'EXECUTION EN SOUDAGE À L'ARC

5

6

7

63

C 7 -1/A

D MAC 2077 B

64

C 7 -1/A

PRÉPARATION DES JOINTS EN SOUDAGE À L'ARC

e ≤ 2 mm (bords relevés)

e ≤ 5 mm (bords droits-assemblage bout à bout)

70° to 90°

70° to 90°

e

e

x

h

m

x

x

e 5 mm < e ≤ 15 mm (bords chanfreinés en V)

15 mm < e ≤ 40mm (bords chanfreinés en X) α

α

r

r

s g e > 40 mm

g (préparation en U ou tulipe)

(préparation en double U)

Tôles d'épaisseurs inégales 4 (E-e)

e e

(délardage)

(bords relevés et pressés)

Joint avec support à l'envers

(latte perdue en acier)

α g

(latte de cuivre non subsistante)

00529_I_F

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D MAC 2076 B

E

65

C 7 -1/A

Bobine du fil électrode Boîte à flux Gallets d'entrainement Alimentation en courant de soudage

Tube d'alimentation

Contact Tube de contact électrique

Guide flux Câble de pièce

Fil électrode Flux

du dé

place

Passe solidifiée du métal

D MAC 1306 A

ment

Préparation de l'assemblage

Support envers Métal de base

Laitier en cours de solidification

Déplacement Flux

Air

Appendice de départ du dépot

Électrode Air Arc

Laitier solidifié

Métal de base Métal fondu de la soudure solidifié

D MAC 1307 A

Sens

Laitier solidifié

Bain en fusion de fil d'apport, de flux et de métal de base Métal fondu en cours de solidification

00529_I_F

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66

C 7 -1/A

MIG-MAG - PROCÉDÉ SEMI-AUTOMATIQUE

Fil électrode venant de la bobine

Arrivée de gaz de protection

Câble simple d'arrivée du courant de soudage

Sens de la trajectoire

Métal solidifié de la soudure ou métal fondu

Tube contact guide fil

Tuyère Protection gazeuse Pièce

Métal de base

00529_I_F

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D MAC 1092 A

Arc

67

C 7 -1/A

PROCÉDÉ T.I.G.

Câble de courant de soudage

Sens de soudage

Arrivée du gaz de protection Buse en matériau isolant réfractaire

Électrode en tungstène non consommable Protection gazeuse Métal de la soudure solidifié ou métal fondu

Métal d'apport

Arc

Métal de base

SCHÉMA D'UNE INSTALLATION EN COURANT ALTERNATIF

Réseau 220V détendeur débitmètre monobloc Tension du réseau

Câble d'alimentation du poste

Coffret de stabilisation

Coffret de commande

24 V

220 V Transfo de soudage

Batterie de condensateurs

Dispositif HF pour amorçage à distance

0-2

0°

Entrée d'eau

80°

SA

75-

Torche

Sortie d'eau Pièce

Position de la torche : Inclinaison de 0 - 20° par rapport à la verticale passant par le bain. et 75-80° par rapport à la soudure

A

90°

D MAC 2068 A

5-20°

00529_I_F

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68

C 7 -1/A

SOUDAGE PLASMA OU JET DE PLASMA (transféré)

Buse du gaz de protection Électrode de Tungstène Eau de refroidissement

Gaz plasmagène (argon) Gaz de protection (argon ou hélium )

Buse en cuivre Colonne de Plasma (arc)

Métal liquide

Trou de serrure Échappement de plasma

D MAC 2145 A

Sens du déplacement de la torche

Métal solidifié

PLASMA TRANSFÉRÉ ET NON TRANSFÉRÉ

Buse de constriction Buse gaz plasmagène

Pièce

PLASMA DUR (transféré)

PLASMA MOU (non transféré)

00529_I_F

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D MAC 2146 A

Gaz de protection

69

C 7 -1/A Électrode tubulaire

Guide fil et tube contact

Laitier solidifié

Poudre métalliques, produits volatiles, désoxydants et purificateurs

Laitier en fusion

Bain de fusion Dire ctio nd

e so

Métal de la soudure solidifié

D MAC 1315 A

Protection de l'arc formée de produits vaporisés et de produits constituant le laitier Arc et transfert du métal d'apport

uda

ge

Soudage fil fourré sans gaz de protection

Buse

Guide fil et tube contact Laitier solidifié Protection gazeuse Fil électrode tubulaire

Sens

Poudre métallique + flux pour action chimique dans la bain et production du laitier du so

udag

e

Métal fondu solidifié

D MAC 1316 A

Laitier fondu Bain de fusion Arc et métal d'apport en cours de transfert

Soudage fil fourré avec gaz de protection

00529_I_F

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70

C 7 -1/A

FAISCEAU D’ÉLECTRON (source)

Émetteur (cathode)

Grille

+

—

— Accélérateur Anode

+

Bobine de concentration du faisceau

Faisceau électron

Bobine de déflection du faisceau

Déflection possible

Pièce à souder

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MAC 1317 A

Champ focal

71

C 7 -1/A

DILATATION ET RETRAIT

Retrait a

b

a — Flambement plastique à l'échauffement b — Raccourcissement après refroidissement

e

L

Correction des effets de la dilatation et retrait Déformation préalable en sens inverse

Par écartement différentiel

Pour fixer les idées il peut être prévu : Un angle de déformation de 1° par passe

Un écartement "e" 0,5 à 2 % de la longueur suivant épaisseur et méthode de soudage Exemple d'ordre d'exécution de soudures sur des tôles moyenne

Exemple d'ordre d'exécution d'une soudures en une ou plusieurs passes

Troisième passe Deuxième passe Crique 2

4

5

6

Première passe de fond de chanfrein Soudures 1 à 6 exécutées par la méthode de soudage à " pas de pèlerin" ou par "rebroussement" (en fond de chanfrein). Les passes suivantes peuvent être continues mais suivant ordre des flèches

Talon avant soudage en vue d'éviter la crique

Talon

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Redressage par chaude de retrait d'un tube soudé en T

D'après document SAF

D MAC 1195 A

1

3

72

C 7 -1/A

3 - SOUDABILITÉ a - Soudabilité métallurgique La soudabilité métallurgique d’un acier est essentiellement la possibilité de le souder sans incidents, ni difficultés techniques, consécutifs à la formation : - soit de zones de trempe dures et fragiles (dans les zones de transformation). Cas le plus général (aciers au carbone, aciers au chrome-molybdène, etc.) - soit de grossissement des grains, précipitations de carbures complexes, etc. Cas peu fréquents (aciers ferritiques à 18 % Cr, aciers mangano-silicieux) Ces zones peuvent être le siège de criques. b - Soudabilité constructive

Pièce A

Pièce B 20

20

La pièce B est plus difficile à souder que la 10 pièce C

Pièce C 10

D MAC 1324 A

20

20

10

20

La pièce B est plus difficile à souder que la pièce A

Tout facteur diminuant la capacité de déformation d’un joint, tend à une augmentation des tensions internes. Ces facteurs peuvent être les suivants : -

la forme élémentaire et la masse dont il a été question ci-dessus

-

la répartition des masses les unes par rapport aux autres, sur une même pièce

- l’encastrement des pièces limitant leur déformation : la dernière soudure (soudure de fermeture) est toujours d’exécution délicate - le type de joint : celui bout-à-bout est généralement plus rigide que celui en angle -

les différents facteurs définissant la conception de la construction soudée

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

73

C 7 -1/A

- la limite élastique de l’acier de base et de celui du métal déposé : plus elle est élevée, plus la déformation est difficile. Un acier dit à “haute limite élastique” est moins favorable qu’un acier “extra-doux”, il est plus “raide”. En soudage, il est recommandé de toujours utiliser la nuance la plus douce (A % élevée) d’électrode compatible avec les calculs de résistance des matériaux -

la fragilité de l’acier ou de l’alliage de base : à égalité de forme et d’épaisseur, une pièce en fonte présente une soudabilité constructive nettement plus difficile qu’une pièce en acier moulé (ainsi d’ailleurs que la soudabilité métallurgique, …)

c - Soudabilité globale C’est l’ensemble des soudabilités métallurgique et constructive.

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

T °C <600 °C Métal de base

T °C =600 °C à AC1 Précipitations, revenu, globulisation T °C = AC1 à AC3 Affinement de structure au refroidissement

T °C = AC3 à 1100 °C Structure normalisée et grossière

T °C = 1100 °C à 1500 °C Grain d'austénite grossis ⇒ trempabilité du métal augmentée

T °C >1500 °C Zone fondue

74

C 7 -1/A

STRUCTURES MÉTALLURGIQUES AU VOISINAGE DU CORDON

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training D MAC 1320 A

75

C 7 -1/A

DÉFAUTS COURANTS RENCONTRÉS DANS LES SOUDURES

Excès de pénétration

Caniveaux

Dénivellation

Fissures à froid 00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Manque de fusion au collage

Excès de métal

Inclusions de laitiers

Fissures à chaud

D MAC 1194 A

Manque de pénétration

76

4-

C 7 -1/A

TRAITEMENTS THERMIQUES La soudabilité métallurgique et constructive étant définie, plusieurs traitements peuvent être appliqués pour améliorer la qualité générale d’un joint soudé : -

avant et pendant le soudage : préchauffage

-

après soudage • • • •

postchauffage traitement de relaxation des contraintes ou traitement de détente (TTAS) traitement de normalisation traitement d’hypertrempe

- Préchauffage • But Ce traitement a un double objectif : - diminuer la trempe dans les zones de transformation (soudabilité métallurgique) - atténuer les contraintes internes liées aux dilatations et retraits Il ne modifie ni la structure du métal de base, ni celui du métal déposé. • Moyens Les moyens de chauffage les plus variés sont utilisés. Le choix dépend de la forme, des dimensions, du lieu d’implantation, de la nature de l’énergie disponible. Les procédés les plus usuels sont : -

le chauffage à la flamme (chalumeau, brûleur, …) le chauffage électrique par résistance ou par induction

• Contrôle Pour être efficace, ce traitement doit être correctement appliqué et contrôlé. La température de préchauffage définie doit être maintenue pendant toute l’opération de soudage. La zone préchauffée doit être homogène et intéresser le joint jusqu’à une distance de 200 mm de part et d’autre de la soudure. Sur les pièces massives, l’envers de la pièce doit être à la même température de préchauffage. Le contrôle de la température peut se faire : -

par crayons thermo-indicateurs par pyromètres à contact

- Postchauffage • But Le postchauffage consiste à maintenir la pièce soudée à la température de préchauffage ou à une température supérieure, immédiatement après la fin de la soudure. Appliqué pendant un temps suffisant, il permet le dégazage de l’hydrogène, évitant aux assemblages bridés la fissuration différée. • Moyens et contrôle Ils sont identiques à ceux définis pour le préchauffage. 00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

77

C 7 -1/A

- Traitements thermiques après soudage (TTAS) Le traitement thermique après soudage est aussi dénommé traitement thermique de détente ou de relaxation. Il consiste à chauffer l'élément à traiter, à le maintenir à une température suffisante, puis à le refroidir de façon appropriée pour relaxer les contraintes résiduelles. Ce traitement peut provoquer également des effets métallurgiques annexes sur le métal fondu, la zone affectée thermiquement et le métal de base. La température, différente suivant la nuance d'acier, est comprise entre 500 °C et la température correspondant au point Ac1, ou la température de revenu du traitement thermique de qualité. Un TTAS est obligatoire pour tout appareil ou partie d'appareil qui remplit une des conditions ci-après : – l'épaisseur de l'appareil est supérieure à 20 mm suivant les aciers – lorsque l'appareil est soumis, dans les conditions de service ou d'essai de résistance, à des risques de corrosion sous tension ou de fragilisation par l'hydrogène, ou pour éviter des déformations dues aux tensions internes

00529_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE APPAREILS À PRESSION Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C7

-1/B

MATÉRIAUX UTILISÉS DANS LES UNITÉS DE RAFFINAGE

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE REFORMAGE CATALYTIQUE – Unité semirégénérative - Schéma simplifié HYDRODÉSULFURATION DES GAZOLES - Schéma simplifié

Ce document comporte 4 pages MX DCA - 02353_A_F - Rév. 0

13/04/2005

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

02353_A_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

E 113 + E 103

260

Four atmosphérique H 101

Débits (t/h)

Pression (bar abs)

Température ( °C)

PÉTROLE BRUT

Vapeur

385

TUBES 4/6% Cr

E 256/107 E 125

10

25

270

PLATEAUX 13% Cr

35

190

50

Stripper fond de tour

360

CLAD 13 % C

15

310

Colonne atmosphérique T 101

2,3 E 102

CANALISATIONS 4/6% Cr

Liquidedu brut

Vapeur du brut

Stripper à vapeur

Stripper à vapeur

Stripper à vapeur

INHIBITEUR FILMANT ET NEUTRALISANT (amines)

150

CLAD MONEL 70% Ni 30% Cu

SURÉPAISSEUR DE CORROSION

Vapeur 275

GAZOLE et distillat CLAD 13% Cr

Vapeur

Vapeur

D 102

1,8

255

E 105 E108 E 106 E 109 E 107

INJECTION SOUDE

REVÊTEMENT INTERNE

140

E 111

DÉSÉMULSIFIANT

140

Eau

40

REVÊTEMENT INTERNE

KÉROSÈNE

GAZ + ESSENCE

GAZOLE

pH 6 cl- < 5 mg/ l H 2S fer

Protections principales contre la corrosion

RÉSIDU ATM.

DISTILLAT

Eau Eau DE PROCÉDÉ (présence d'NH3) EAU

2 à 5 ppm en masse

85

D 103

1,5

PROBLÈME D'ÉROSION : DOUBLAGE TÉFLON À L'ENTRÉE DES TUBES SUR 120 MM CHANGEMENT DES TUBES/10 ANS

D PCD 459 I

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

1

C 7 -1/B

02353_A_F

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• C7 - C10/11 • RON 20 à 50 • Riche en nP, N • Pas de S - N

CHARGE essence lourde

440

Catalyseur

V5

18.5

535

H3

420

Débit (t/h)

Pression (bar abs.)

Température (°C)

100

1% Cr

MATÉRIAUX SELON COURBES NELSON

470

V6

17.5

535

20

2,25% Cr 1,25% Cr

H4

DCP

150

E5

495

535

H2 =4à6 HC

E6

40

40

21

BALLON SÉPARATEUR

1,25% Cr 0,5% Mo et ac carbone

13% Cr

COMPRESSEUR

0,5% Mo

RÉACTEURS

INJECTION D'EAU SODÉE PENDANT LA RÉGÉNÉRATION

V7

16.5

H5

T

V8

15

Gaz riche en hydrogène

% vol H2 80 %

240

REVÊTEMENT INTERNE

E7

COLONNE DE STABILISATION V9

20

75 E8

Principales protections contre la corrosion

80

V 10

9

FOUR H6

1

GAZ DE PÉTROLE LIQUÉFIÉS

GAZ COMBUSTIBLE

REFORMAT • RON 98-101 • Riche en A

10

40

dont 2 t/h d'H2 pur

GAZ RICHE EN HYDROGÈNE

D PCD 155 I

REFORMAGE CATALYTIQUE Unité semirégénérative — Schéma simplifié —

2

C 7 -1/B

02353_A_F

FOUR H 401

APPOINT DE GAZ RICHE EN H2 EX REFORMAGE CATALYTIQUE

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

GAZOLE CRAQUÉ

GAZOLE DE DISTILLATION

290

ACIER INOXYDABLE AUSTÉNIQUE TYPE 321 AVEC PROTECTION AUX ARRÊTS (N2 ou NH3 ou Na2CO3) (lavage)

ACIER FAIBLEMENT ALLIÉ

200

390

Clad

RÉACTEUR

6,8

COMPRESSEUR d’appoint

Lits de catalyseur (150 tonnes)

Tube 321 (T i 347 ( ) Nb)

R 401

50 35

0,5 M o 2,25 Cr

Eau

ACIER CARBONE

BALLON SÉPARATEUR BP

+ DISPOSITION CORRECTE DES FAISCEAUX

D 401

45

Température (°C)

Pression (bar abs.)

Débit (t/h)

40

Gaz riche en hydrogène

BALLON SÉPARATEUR HP

LAVAGE À L'EAU (20% liquide)

TUBES ACIER DUPLEX

S = 1,5% masse

E 401

R 402

Quench

360

dont 1,2 tonne d’H2 pur

COMPRESSEUR de recyclage

D 402

5

40

CLAD 316 L

3

E 404

T 401

S = 0,03% masse

E 404

STRIPPER DE GAZOLE

180

Gaz sulfuré

HYDRODÉSULFURATION DES GAZOLES — Schéma simplifié —

E 406

193

5,1

D 405

T 402

Vapeur d’eau

8,7

GAZOLE DÉSULFURÉ

SÉCHEUR SOUS VIDE

0,1

Vide

"ESSENCE"

Eau

40

GAZ RICHE EN H2S

Principale protection contre la corrosion

3

C 7 -1/B

d Cla e tub

D PCD 389 J

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE

C7

CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - LE RESSUAGE ......................................................................................................................... 1 1 - Principe de base .............................................................................................................................1 2 - Matériel utilisé .................................................................................................................................2

II - LA MAGNÉTOSCOPIE ............................................................................................................. 3 1 - Principe ...........................................................................................................................................3 2 - Matériel utilisé .................................................................................................................................4

III - LA RADIOGRAPHIE INDUSTRIELLE ....................................................................................... 6 1 - Principe de la radiographie industrielle...........................................................................................6 2 - Appareillage et matériel utilisés ...................................................................................................... 7

IV - LES ULTRA-SONS .................................................................................................................... 8 1 - Principe du contrôle par ultra-sons .................................................................................................8 2 - Les ondes ultra-sonores .................................................................................................................9 3 - Le matériel utilisé.......................................................................................................................... 10

V - AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES DIFFÉRENTES MÉTHODES ............................... 12

MX EIR - 00526_B_F - Rév. 2

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08/08/2005

-1/C

1

I -

C 7 -1/C

LE RESSUAGE 1-

PRINCIPE DE BASE Le ressuage permet d'étendre le champ d'application de l'examen visuel à la détection des défauts très fins débouchants en surface.

D MAC 1354 A

Le principe de cette méthode repose sur le phénomène de capillarité. La capillarité est la propriété qu'ont certains liquides d'être attirés par des cavités de faibles dimensions.

Le niveau de l'eau est le même dans la cuve et dans le tube 1. Par contre, il est plus élevé dans le tube 2 de faible diamètre intérieur (la dénivellation est de l'ordre de 15 cm pour un rayon interne de 1/10e mm). Le ressuage est une double application de ce phénomène.

D MAC 1355 A

a - Dans un premier temps la pièce est recouverte d'un liquide à haut pouvoir capillaire : le pénétrant. Son rôle est de remplir par capillarité les fines cavités débouchant en surface.

D MAC 1356 A

b - On procède alors au nettoyage de la surface (à l'eau ou à l'aide d'un solvant) ; seul le pénétrant contenu dans les défauts subsiste.

00526_B_F

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2

C 7 -1/C

D MAC 1355 B

c - On recouvre la pièce d'une poudre blanche très fine : le révélateur. Par capillarité, le pénétrant contenu dans les défauts est attiré dans les micro-cavités formées par la poudre (phénomène du buvard). L'image du défaut apparaît alors (par exemple en rouge) sur le fond blanc.

2-

MATÉRIEL UTILISÉ a - Produits pénétrants Il existe deux types de pénétrants : – Les pénétrants colorés Un pigment coloré (par exemple, le rouge organol) est contenu dans un liquide (pétrole). L'image des défauts obtenue avec ce produit s'observe à la lumière blanche (conditions identiques à celles d'un examen visuel). – Les pénétrants fluorescents Le pigment coloré émet une lumière visible (jaune verte, orangée ... quand il subit une irradiation aux rayons ultra-violets (aussi appelés "lumière noire" parce que invisible à l'œil). Cette deuxième méthode possède une meilleure sensibilité de détection (cas de défauts très fins) mais nécessite l'utilisation d'une lampe à U.V. et d'une pièce obscure. Certains produits sont mixtes et peuvent donc être employés à la fois pour un ressuage coloré et un ressuage fluorescent. b - Révélateurs Ils sont de plusieurs sortes : – Révélateur sec : poudre blanche très fine (talc, craie, ...) – Révélateur humide : la poudre est en suspension dans un liquide volatil (alcool) qui une fois évaporé laisse une couche très fine et uniforme – Révélateur pelable : la poudre est dispersée dans une résine en solution dans un liquide organique volatil. Après séchage, il est possible de détacher l'image du défaut emprisonnée dans le film de vernis

00526_B_F

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3

II -

C 7 -1/C

LA MAGNÉTOSCOPIE 1-

PRINCIPE Le contrôle par magnétoscopie permet de visualiser, à l'aide d'un champ magnétique, les défauts débouchant en surface ou situés immédiatement sous la surface à examiner.

D MAC 1357 A

Le principe de cette méthode consiste à soumettre un matériau ferro-magnétique à un champ magnétique d'intensité notable : méthode dite du flux magnétique.

a - Pièce saine

b - Champ faible

c - Champ correct

• Cas d'une pièce saine Les lignes du champ magnétique se répartissent régulièrement dans le métal. • Cas d'une pièce défectueuse contrôlée avec un champ magnétique faible La présence du défaut modifie légèrement les lignes du champ magnétique mais n'apporte aucune perturbation en surface. • Cas d'un champ magnétique élevé Au droit du défaut on note la présence "d'un champ de fuite" capable d'attirer de la poudre magnétique. Le contrôle est donc possible dans ces conditions. Un champ magnétique élevé ne peut s'obtenir que sur les matériaux ferro-magnétiques : fonte, acier moulé, acier forgé, fer pur, acier au silicium, nickel et cobalt (tous les matériaux sensibles à l'action d'un aimant). Les métaux non contrôlables en magnétoscopie sont : aluminium, magnésium, laiton, cuivre, bronze, plomb, titane, aciers inoxydables austénitiques.

00526_B_F

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4

2-

C 7 -1/C

MATÉRIEL UTILISÉ a - Magnétoscope articule portatif Il produit à l'aide d'un solénoïde un champ magnétique H qui se ferme par la culasse articulée et la pièce à contrôler.

∞ 50 Hz Bouton poussoir de mise sous tension de la bobine

220 V 110 V 48 V 24 V

Potentiomètre de réglage de champ redressé

Commutateur : champ alternatif (AC) / champ redressé(DC)

D MAC 1358 A

Solénoïde

Seuls les défauts orientés perpendiculairement à la direction du champ magnétique (± 30°) sont détectables.

00526_B_F

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5

C 7 -1/C

D MAC 1359 A

Exemples d'utilisation

00526_B_F

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6

C 7 -1/C

III - LA RADIOGRAPHIE INDUSTRIELLE 1-

PRINCIPE DE LA RADIOGRAPHIE INDUSTRIELLE La radiographie met en œuvre des sources émettrices de rayonnements ionisants. Ces rayonnements ont une énergie très grande (25 keV à 25 MeV) qui leur permet de traverser la matière. Lors de la traversée de la matière, les éventuels défauts contenus dans celle-ci constituent des obstacles qui absorbent plus ou moins les rayonnements. Les différences d'absorption peuvent être, soit visualisées sur un écran fluorescent (par exemple : radioscopie utilisée dans le domaine médical), soit enregistrées sur un film spécial (cas de la radiographie industrielle).

Tube à rayons X

Source de rayons γ ou X

Faisceau X

Faisceau γ ou X Surépaisseur cavité Pièce à contrôler

Écran fluorescent

Récepteur

Film radiographique

Après développement

RADIOSCOPIE

RADIOGRAPHIE

D MAC 1360 A

Examen visuel

00526_B_F

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7

2-

C 7 -1/C

APPAREILLAGE ET MATÉRIEL UTILISÉS a - Les sources de rayonnement • Les tubes à rayons X HT

Électrons

Filament

Protection

Faisceau utile

Foyer

Anticathode

D MAC 1361 A

i

Refroidissement

Le filament, chauffé par le passage du courant i, émet des électrons e– . La haute tension HT accélère ces électrons qui viennent percuter la cible à grande vitesse donc avec une forte énergie. À la suite du choc, cette énergie est transformée : – en chaleur : environ à 98 % – en rayons X Une protection en plomb ne laisse passer qu'un faisceau appelé faisceau utile. Un système de refroidissement par circulation d'air ou d'huile est nécessaire pour refroidir l'anticathode. Les tubes à rayons X portatifs émettent un rayonnement d'énergie maximale 300 kV. • Les sources émettrices de rayons γ

Source stockée dans son conteneur de transport

Porte-source Source

Source éjectée pour la radiographie

00526_B_F

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D MAC 1362 A

Bloc de protection

Câble de télécommande

8

C 7 -1/C

IV - LES ULTRA-SONS 1-

PRINCIPE DU CONTRÔLE PAR ULTRA-SONS Les ultra-sons se propagent dans la matière et se réfléchissent sur les discontinuités.

t'

Temps t

t

2e' = V x t' 2e = V x t

e

V

1. Pièce saine

D MAC 2166 A

e' e

2. Pièce avec défaut

1. Pièce saine : les ultra-sons émis par le palpeur pénètre dans la paroi et se propage jusqu'à la face opposée. L'écho de retour (écho de fond) revient au palpeur lorsque le temps t s'est écoulé. t = distance parcourue (2e) X vitesse des U.S. La connaissance de la vitesse permet alors de réaliser des mesures d'épaisseur. 2. Pièce avec défaut : une partie du faisceau U.S. se réfléchit sur la surface du défaut et donne lieu à un écho discontinuité, l'autre partie se réfléchit sur le fond de la pièce écho de fond. Il est alors possible de détecter la présence du défaut, d'évaluer sa position et son étendue. L'amplitude de l'écho reçue dépend de l'étendue et de l'orientation de la surface réfléchissante. Les fréquences utilisées sont de l'ordre de 1 à 10 MHz pour le contrôle des métaux.

00526_B_F

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9

2-

C 7 -1/C

LES ONDES ULTRA-SONORES Les U.S. sont des vibrations mécaniques (de très faible amplitude) des atomes constituant la matière. Un support matériel est nécessaire à leur propagation (gaz, solide, liquide). La vitesse de propagation dépend du milieu et du mode de propagation. Elle est indépendante de la fréquence. GAZ :

quelques centaines de m/s (330 m/s dans l'air sec sous 1 atm)

LIQUIDE :

de l'ordre du km/s (1500 m/s dans l'eau)

SOLIDE :

quelques km/s (5800 m/s dans l'acier) (6400 m/s dans l'aluminium) (4600 m/s dans le cuivre

Modes de propagation • Ondes longitudinales Les ondes ultra-sonores font entrer en vibration les atomes. La vibration se transmet d'un atome au suivant par l'intermédiaire des forces de liaisons interatomatiques (module élastique). Lorsque la direction de vibration est parallèle à la direction de propagation, l'onde est longitudinale (ou de compression). Propagation de l'onde

D MAC 2167 A

Vibration

La vitesse de propagation dépend du module d'Young. • Ondes transversales Lorsque la direction de vibration est perpendiculaire à la direction de propagation, l'onde est transversale (ou de cisaillement). D MAC 2167 B

Propagation de l'onde Vibration

Les ondes transversales ne se propagent que dans les solides. Leur vitesse est voisine de la moitié de la vitesse de l'onde longitudinale.

Acier Aluminium Cuivre

VL

VT

5800 6400 4600

3250 3080 2260

00526_B_F

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10

3-

C 7 -1/C

LE MATÉRIEL UTILISÉ a - Mesureurs d'épaisseurs Ce sont des appareils spécialement adaptés à la mesure des épaisseurs de parois.

E

R

Pastilles Semelle e SEUIL

15.7

Affichage (en mm)

a Semelle

e

e

E

a Semelle

R

R > seuil Décalage du 0 de 2 a

Cale étalon (5 mm)

Temps

Temps

Horloge à quartz : comptage des impulsions

F = 30 MHz VL = 6000 m/s

1 impulsion = 0,1 mm épaisseur

Précautions à prendre : – s'étalonner précisément : sur un matériau de vitesse et d'épaisseur identique ou encadrant les valeurs recherchées – travailler avec un bon couplage – travailler avec des parois parallèles – se méfier des surfaces courbes (R < 50 mm) et des faibles épaisseurs (e < 2 mm). Utiliser des palpeurs adaptés Caractéristiques des appareils – dimensions et poids réduits – fonctionnement sur piles ou accus rechargeables – précision affichée = 0,1 mm en règle générale – gamme d'épaisseur : 1 à 2 mm jusqu'à 100 à 200 mm – gamme des vitesses : 1000 à 9000 m/s

00526_B_F

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D MAC 2168 A

E

11

C 7 -1/C

b - Appareils à oscilloscope et palpeurs

Amplification à la réception

Échelle de profondeur

dB mm

dB

1

Réglage du zéro

2 3

Puissance à l'émission

mm

4

Prise pour coaxial Bloc amortisseur Pastille Piézo électrique Semelle de protection Zone pertubée

L

Zone de divergence

β

D MAC 2169 A

L

L

Caractéristiques : Palpeurs droits

ondes L

Palpeurs d'angle ondes T

F = 1 à 10 MHz Ø 10 à 25 mm F = 1 à 10 MHz = 8x8 à 20x20 mm angle β = 45 – 60 – 70° pour l'acier

00526_B_F

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12

V-

C 7 -1/C

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES DIFFÉRENTES MÉTHODES Le tableau ci-dessous reprend les avantages mais aussi les limites des cinq méthodes les plus couramment utilisées en contrôle non destructif.

Méthodes

Avantages -

Radiologie

Ressuage

-

Inconvénients

Défauts internes sur grande profondeur : 10 cm en X et 20 cm en γ courants Large gamme de matériaux Film : preuve Scopie : automatisation Tous défauts (porosités, fissures, …) Contrôle reproductible

– -

Méthode bon marché Facile d’emploi Assez rapide Sensible (fines criques) Toutes les matières sont justiciables de cet examen sauf si la surface est absorbante Systèmes portables

-

-

-

-

Magnétoscopie

-

Courants de Foucault

-

Ultrasons

-

Méthode sensible pour défauts de surface ou sous-jacents (épaisseur examinée < 1 cm) Bon marché Facile d’emploi Pas de calibration nécessaire Insensible aux faibles épaisseurs de protection Systèmes portables

-

Prix revient élevé (films) Accès sur 2 faces Défauts linéaires non visibles si ⊥ au faisceau (laminages) Microfissures non vues Protection due aux dangers des rayonnements ionisants Méthode film assez lente Uniquement sur défauts débouchant en surface État de surface et propreté de celle-ci sont importants Impossible à haute et surtout basse température Manipulations multiples Nettoyage et éventuellement application produit anticorrosif Produits toxiques Exclusivement sur métaux ferromagnétiques Pas d’information en profondeur Propreté échantillon avant et après examen Démagnétiser les pièces Possibilité de “brûler” les contacts sur la pièce Nécessité de définir mode de magnétisation en fonction des défauts recherchés

Pas de contact nécessaire Contrôle ‘in line” à haute vitesse (10 m/s parfois) Grande sensibilité (petits défauts) Ferreux et non ferreux Donne informations sur la dimension des défauts

Exclusivement sur métaux Pénétration < 6 mm Haute sensibilité, donc “rejets abusifs” possibles Méthode par comparaison Sensible aux parasites et à la température

Profondeur d’examen importante Haute sensibilité aux défauts à différentes profondeurs Résultats instantanés Automatisable Échantillon accessible sur une face Utilisable sur chantier Donne taille et localisation défaut

Personnel très entraîné Défauts en surface difficiles à voir Pas d’enregistrement (trace) Utilisation d’un couplant Orientation des défauts a un rôle important sur leur détectabilité

-

00526_B_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE APPAREILS À PRESSION

C7

-2/A

CORROSION DES MÉTAUX

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - ÉLÉMENTS DE BASE DE LA CORROSION ............................................................................ 1 1 2 3 4

-

Généralités ...................................................................................................................................1 Processus de la corrosion ............................................................................................................ 1 Aspect économique de la corrosion .............................................................................................3 Influence de la corrosion dans le choix d’un matériau ................................................................. 4

II - TYPES DE CORROSION HUMIDE ET ÉTUDES DE CAS....................................................... 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

III -

-

La corrosion généralisée .............................................................................................................. 5 La corrosion galvanique .............................................................................................................14 La corrosion par crevasse .......................................................................................................... 18 La corrosion par piqûres.............................................................................................................21 La corrosion intergranulaire .......................................................................................................24 La corrosion sous contrainte ...................................................................................................... 28 Tenue des matériaux sous calorifuge ........................................................................................ 39 Épreuves hydrauliques ...............................................................................................................41 La corrosion - érosion.................................................................................................................42 La corrosion bactérienne............................................................................................................ 45 La corrosion par l’hydrogène...................................................................................................... 48

TYPES DE CORROSION SÈCHE (à haute température) ...................................................... 53 1234-

Décarburation et attaque par l’hydrogène ..................................................................................53 Corrosion par les gaz, fumées et vapeurs d’eau ........................................................................57 Corrosion par le soufre à haute température ............................................................................. 60 Corrosion par les acides naphténiques...................................................................................... 63

IV - MOYENS DE PROTECTION................................................................................................... 64 1 2 3 4 5 6

-

Conception des équipements .....................................................................................................64 Les inhibiteurs de corrosion .......................................................................................................67 Les revêtements .........................................................................................................................67 La protection anodique ...............................................................................................................68 La protection cathodique ............................................................................................................ 69 Examens non destructifs ............................................................................................................ 70

MX DCA - 00530_D_F - Rév. 4

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13/04/2005

C 7 -2/A

1

I-

ÉLÉMENTS DE BASE DE LA CORROSION 1-

GÉNÉRALITÉS La corrosion est le phénomène de dégradation le plus répandu dans les unités de procédés. Il est à l’origine de la majorité des défaillances d’équipements sous pression. On estime que la corrosion détruit un quart de la production annuelle mondiale d’acier, ce qui représente environ 150 millions de tonnes par an ou encore 5 tonnes par seconde. Or, la corrosion ne se limite pas à l’acier, mais affecte tous les métaux ainsi que les polymères et céramiques. Elle résulte d’interactions chimiques et/ou physiques entre le matériau et son environnement. Voici quelques exemples de phénomènes de corrosion : -

transformation de l’acier en rouille fissuration d’un laiton en présence d’ammoniac oxydation d’un contact électrique en cuivre fragilisation par l’hydrogène d’un acier à haute résistance corrosion à chaud d’un superalliage dans une turbine à gaz gonflement du polyéthylène en contact avec un solvant dégradation du PVC par le rayonnement ultraviolet attaque d’un tuyau en nylon par un acide oxydant attaque des briques réfractaires par les laitiers attaque d’un verre minéral par une solution alcaline

La corrosion est une réaction interfaciale irréversible d’un matériau avec son environnement, qui implique une consommation du matériau ou une dissolution dans le matériau d’une composante de l’environnement. Cette définition inclut les effets positifs de la corrosion ainsi que l’absorption d’une composante de l’environnement sans consommation du matériau. L’absorption de l’hydrogène par l’acier est, par exemple considérée comme une réaction de corrosion. Pour cette raison, on distingue la corrosion humide, ou corrosion à température ambiante, de la corrosion sèche, ou corrosion à haute température.

2-

RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES DE LA CORROSION

Réduction Réduction oxydation

Uniforme

Localisée

Corrosion uniforme et corrosion localisée d'un métal

00530_D_F

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D MAC 1196 A

Oxydation

2

C 7 -2/A

Oxydants En corrosion humide, les deux principaux oxydants rencontrés en pratique sont : -

les protons solvatés l’oxygène dissous

Pourtant, d’autres oxydants peuvent aussi corroder les métaux, tels que : - des cations métalliques oxydants : Cu2+, Fe3+, Sn4+ - des anions oxydants : NO2– , NO 3 – , CrO2– , MnO 4 – , OCl – 4 - des gaz oxydants dissous : O3 , Cl 2 , SO3 À haute température, certaines substances chimiques, normalement inoffensives, deviennent corrosives. Parmi les oxydants responsables de la corrosion sèche, on trouve : -

l’oxygène gazeux la vapeur d’eau l’anhydride carbonique CO2

les composés du soufre : S2 , SO2 , SO2– 4

Réactions partielles Toute réaction d’oxydoréduction se compose de deux réactions partielles : la réaction partielle d’oxydation ou réaction partielle anodique, et la réaction partielle de réduction ou réaction partielle cathodique. Ainsi pour la réaction (1.3) : Fe

→ Fe 2+ + 2 e anodique

(1.5)

2 H+ + 2 e → H 2 ————————————

cathodique

(1.6)

Fe + 2 H+

réaction globale

(1.3)

→ Fe 2+ + H2

Les réactions partielles anodiques et cathodiques font apparaître explicitement les électrons échangés au cours de la réaction d’oxydoréduction, contrairement à la réaction globale. On appelle réaction électrochimique une transformation chimique qui implique un transfert de charges à l’interface entre un conducteur électronique, appelé électrode, et un conducteur ionique, appelé électrolyte. Une réaction électrochimique peut englober une ou plusieurs réactions d’électrode. Par exemple, la réaction (1.3) est une réaction électrochimique ; chaque atome de fer qui passe en solution implique l’échange de deux électrons entre le métal et les protons. Elle contient deux réactions d’électrode : l’oxydation du fer et la réduction du proton. D’après la définition donnée, toutes les réactions de corrosion qui provoquent une oxydation du métal sont des réactions électrochimiques. À température élevée, par contre, sous conditions de corrosion sèche, les cations et les anions diffusent plus facilement à travers un film compact. Le film croît progressivement, avec une vitesse égale à la vitesse de corrosion. La figure ci-dessous schématise la réaction d’un métal avec l’oxygène, dans cette situation. Le métal s’oxyde à l’interface métal-oxyde et les cations diffusent vers l’extérieur du film.

00530_D_F

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C 7 -2/A

3

À la surface extérieure, l’oxygène se réduit en anions O2– qui diffusent vers l’interface métal-oxyde. Les électrons libérés à l’interface métal-oxyde doivent traverser le film d’oxyde avant de réagir à la surface extérieure. On peut considérer la surface extérieure du film comme cathode, la surface intérieure comme anode. Contrairement aux piles électrochimiques classiques, l’oxyde est ici simultanément électrolyte et conducteur électronique.

Métal

Oxyde Mn+ 02-

02

e M

Mn+ + ne

n/202 + 2ne

D MAC 1197 A

M

Gaz

n02-

Corrosion à haute température : réaction entre le métal et l’oxygène en présence d’une couche d’oxyde ayant une conductivité ionique et électronique. Origine de différents types de corrosion Le comportement à la corrosion d’un matériau en service dépend d’une multitude de facteurs : -

composition chimique et microstructure du métal composition chimique de l’environnement paramètres physiques (température, convection, irradiation, etc.) sollicitations mécaniques (contraintes, chocs, frottements)

La résistance à la corrosion n’est donc pas une propriété intrinsèque du métal, mais plutôt une propriété de l’interface métal/milieu, d’où la nécessité de caractériser la composition chimique et la microstructure de celle-ci, ainsi que son comportement électrochimique. La corrosion dépend donc d’un système extrêmement complexe, dont les effets se manifestent, en pratique, sous une multitude d’aspects, parfois inattendus.

3-

ASPECT ÉCONOMIQUE DE LA CORROSION Les effets directs ou indirects de la corrosion sont résumés ci-après : -

coût des pièces à remplacer, des réparations à effectuer coût de l’entretien et du contrôle (mise en peinture, protection cathodique) coût dû à l’utilisation de matériaux plus nobles augmentation des coefficients de sécurité contamination du produit par les produits de corrosion arrêt de production

On estime que le quart de la production annuelle d’acier serait détruit par la corrosion (soit 150 millions de tonnes par an ou 5 tonnes par seconde). Selon les estimations relevées dans la littérature, le coût annuel de la corrosion se situe à 4 % du PNB, soit plusieurs milliards d’Euro par an pour la France.

00530_D_F

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C 7 -2/A

4

4-

INFLUENCE DE LA CORROSION DANS LE CHOIX D’UN MATÉRIAU Le choix d’un matériau pour la construction d’un équipement résulte d’un compromis entre plusieurs facteurs : - compromis entre la résistance à la corrosion et d’autres propriétés comme la résistance mécanique, la facilité de mise en œuvre, le soudage, les délais de livraison - compromis entre la durée de vie de l’équipement et la durée de vie estimée du matériau La synoptique ci-dessous résume les différents compromis qui règlent le choix d’un matériau dans la construction d’un appareil ou d’une installation.

Résistance mécanique

Aspect

CHOIX DU MATÉRIAU

Fabrication

Prix (coût du matériau, de l'installation, de l'entretien, du contrôle, des réparations)

00530_D_F

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D MAC 022 A

RÉSISTANCE À LA CORROSION

C 7 -2/A

5

II -

TYPES DE CORROSION HUMIDE ET ÉTUDES DE CAS 1-

LA CORROSION GÉNÉRALISÉE Elle est due à une réaction chimique ou électrochimique qui se produit uniformément sur toute la surface considérée. Sa vitesse est généralement facile à prévoir avec une précision suffisante pour déterminer la durée de vie probable d’un appareil.

Surface à l'origine

Front de corrosion

Phases métalliques différentes

Métal

Inclusions

Représentation schématique de la corrosion généralisée

Exemples de corrosion généralisée : -

acier au carbone immergé dans une solution d’acide sulfurique diluée acier au carbone en présence d’air humide acier au carbone en présence d’eau de mer

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D MAC 023 A

Produits de corrosion

C 7 -2/A

6

ACIER DANS L'AIR HUMIDE

e-

+ +

Fe2+ + 2 e-

Fe

H2O H+ OH-

2 H2O 2 H+ + 2 e2 OH- + Fe2+

2 H+ + 2 OH2H

H2

Fe(OH)2

Hydroxyde ferreux

H H2

ACIER

2 Fe(OH)2 + H2O + 1/2 O2

Fe2(OH)3

2 Fe(OH)2 + 1/2 O2

Fe2O3

2 Fe(OH)2 + Fe2O3

Fe3O4. H2O

Fe3O4 . H2O + O2

Fe2O3 . H2O

Hydroxyde ferrique Oxyde ferrique Magnétite hydratée Oxyde ferrique hydraté

O2 O2

O2

Hydroxyde ferrique brun orangé rouge Oxyde ferrique (hématite) brun rouge Oxyde ferrique hydraté FeOOH rouge (rouille)

AC 024 A

Magnétite hydratée noire Hydroxyde ferreux blanc verdâtre

00530_D_F

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C 7 -2/A

7

Dans le cas du fer, la réaction globale d’oxydoréduction se résume à : Fe + H2O + 1/2 O2 → Fe (OH)2

(hydroxyde ferreux vert)

Nouvelle oxydation en présence d’oxygène : Fe (OH)2 + H 2 O + 1/2 O 2 →

2 Fe (OH) (hydroxyde ferritique rouge 3

rouille) La dissolution du matériel demeure active tant qu’une couche protectrice, film passif ou oxyde protecteur, n’est pas constituée. En règle générale, la “rouille” d’un acier ordinaire en milieu humide ne protège pas le métal ; elle s’écaille et présente une certaine porosité qui permet la diffusion de l’eau et de l’oxygène. Ce type de corrosion peut être bien évidemment aggravé par la présence d’impuretés (SO2 , Cl – ). •

Taux de corrosion

Il s’exprime en : - mdd - mm/an - iPY - mPY •

: : : :

milligrammes par dm2 par jour millimètres par an pouces par an millième de pouce par an

Classification Taux de corrosion

Tenue

< 0,002 iPY < 0,05 mm/an

Excellente Excellente

0,002 à 0,005 iPY 0,05 à 0,130 mm/an

Bonne

0,005 à 0,05 iPY 0,130 à 1,25 mm/an

Satisfaisante

> 0,05 iPY > 1,25 mm/an

Non satisfaisante

Prévention : -

prévoir une surépaisseur de corrosion dès la conception de l’équipement

- des inspections régulières et des campagnes de mesures d’épaisseur par ultrasons permettent de surveiller la corrosion et d’apprécier les pertes d’épaisseur - utilisation de revêtements (peintures, placages, etc.), d’inhibiteurs de corrosion ou la protection cathodique - dans le cas de l’eau, on peut augmenter le pH et réduire la teneur en oxygène (addition d’hydrazine ou de sulfite de sodium dans le cas des chaudières) Des tables de corrosion ou des diagrammes donnent les domaines d’utilisation de différents matériaux en fonction de la concentration et de la température des produits véhiculés.

00530_D_F

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C 7 -2/A

8

RÉSISTANCE DE DIFFERENTS MATERIAUX DANS L'EAU DE MER

EAU DE MER 560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

320

G

300

CUIVRE

280

G

260

ACIER CARBONE

240

G

220

BRONZE

200

G

180

LAITON

160

G

140

ALUMINIUM

120

G

100

ALLOY 20Cb3

80

60

TEMP° F

MÉTAUX

E-BRIGHT 26-1 HASTELLOY-B

G

HASTELLOY-C

E

U G

HASTELLOY-D FONTE AU SILICIUM

U

INCONEL

G

PLOMB MONEL

G

NICKEL

G

ACIER INOX Type 304/307

G

Type 316

G

TANTALE

E

TITANE

E

ZIRCONIUM

E

MATERIAUX NON MÉTALLIQUES

BOROSILICATE GLASS R

TEMP° C MÉTAUX

MATERIAUX NON METALLIQUES

E = < 0,05 mm / an ; G = < 0,5 / an S = < 1,3 mm / an ; U = > 1,3 mm / an

R = Résistant U = Non satisfaisant

00530_D_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D MAC 025 A

290°C

250°C

200°C

150°C

100°C

15°C

50°C

R

CARBONE

C 7 -2/A

9

RÉSISTANCE DE DIFFERENTS MATERIAUX DANS L'ACIDE SULFURIQUE À 100%

Acide sulfurique, 100% 560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

320

U

300

CUIVRE

280

G

260

ACIER CARBONE

240

U

220

BRONZE

200

U

180

LAITON

160

U

140

ALUMINIUM

120

E

100

ALLOY 20Cb3

80

60

TEMP° F

MÉTAUX

G

E-BRIGHT 26-1 HASTELLOY-B

G

HASTELLOY-C

E

HASTELLOY-D

G

FONTE AU SILICIUM

E

INCONEL

U

PLOMB

G

MONEL

U

NICKEL

U

U G

U U

ACIER INOX Type 304/307

G

Type 316

G

TANTALE

G

TITANE

U

ZIRCONIUM

U

MATERIAUX NON MÉTALLIQUES BOROSILICATE GLASS R

TEMP° C MATERIAUX NON METALLIQUES

MÉTAUX E = < 0,05 mm / an ; G = < 0,5 / an S = < 1,3 mm / an ; U = > 1,3 mm / an

00530_D_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

R = Résistant U = Non satisfaisant

D MAC 025 B

290°C

250°C

200°C

150°C

100°C

15°C

50°C

U

CARBONE

C 7 -2/A

10

RÉSISTANCE DE DIFFERENTS MATERIAUX DANS L'ACIDE SULFURIQUE À 30%

U

PLOMB

G

MONEL

S

U

NICKEL

S

U

80

560

INCONEL

540

E

520

FONTE AU SILICIUM

500

E

480

HASTELLOY-D

460

E

440

HASTELLOY-C

420

E

400

HASTELLOY-B

380

U

360

E-BRIGHT 26-1

340

U

320

CUIVRE

300

U

280

ACIER CARBONE

260

U

240

BRONZE

220

G

200

LAITON

180

U

160

ALUMINIUM

140

E

120

ALLOY 20Cb3

100

MÉTAUX

60

Acide sulfurique, 30% TEMP° F

G

G G

U G

G

ACIER INOX Type 304/307

U

Type 316

U

TANTALE

G

TITANE

U

ZIRCONIUM

E

G

MATERIAUX NON MÉTALLIQUES BOROSILICATE GLASS R

TEMP° C MÉTAUX

MATERIAUX NON METALLIQUES

E = < 0,05 mm / an ; G = < 0,5 / an S = < 1,3 mm / an ; U = > 1,3 mm / an

00530_D_F

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R = Résistant U = Non satisfaisant

D MAC 025 C

290°C

250°C

200°C

150°C

100°C

15°C

50°C

R

CARBONE

C 7 -2/A

11

RÉSISTANCE DE DIFFERENTS MATERIAUX DANS L'ACIDE CHLORHYDRIQUE À 20%

Acide chlorhydrique, 20% 560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

320

U

300

CUIVRE

280

U

260

ACIER CARBONE

240

U

220

BRONZE

200

U

180

LAITON

160

U

140

ALUMINIUM

120

U

100

ALLOY 20Cb3

80

MÉTAUX

60

TEMP° F

E-BRIGHT 26-1 HASTELLOY-B

G

HASTELLOY-C

E

G

HASTELLOY-D

S

U

FONTE AU SILICIUM

G

S

INCONEL

G

PLOMB

U

MONEL

G

NICKEL

G

S U

U

U

U U

ACIER INOX Type 304/307

U

Type 316

U

TANTALE

E

TITANE

U

ZIRCONIUM

G

MATERIAUX NON MÉTALLIQUES BOROSILICATE GLASS R

TEMP° C MÉTAUX

MATERIAUX NON METALLIQUES

E = < 0,05 mm / an ; G = < 0,5 / an S = < 1,3 mm / an ; U = > 1,3 mm / an

00530_D_F

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R = Résistant U = Non satisfaisant

D MAC 025 D

290°C

250°C

200°C

150°C

100°C

15°C

50°C

R

CARBONE

C 7 -2/A

12

RÉSISTANCE DE DIFFERENTS MATERIAUX DANS L'ACIDE CHLORHYDRIQUE DILUÉ

ACIDE CHLORHYDRIQUE DILUÉ 560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

320

U

300

CUIVRE

280

U

260

ACIER CARBONE

240

U

220

BRONZE

200

U

180

LAITON

160

U

140

ALUMINIUM

120

U

100

ALLOY 20Cb3

80

MÉTAUX

60

TEMP° F

E-BRIGHT 26-1 HASTELLOY-B

G

HASTELLOY-C

E

G U

HASTELLOY-D

G

S

FONTE AU SILICIUM

G

INCONEL

G

PLOMB

U

MONEL

G

NICKEL

G

ACIER INOX Type 304/307

U

Type 316

U

TANTALE

E

TITANE

E

ZIRCONIUM

E

MATERIAUX NON MÉTALLIQUES BOROSILICATE GLASS R

TEMP° C MÉTAUX

MATERIAUX NON METALLIQUES

E = < 0,05 mm / an ; G = < 0,5 / an S = < 1,3 mm / an ; U = > 1,3 mm / an

00530_D_F

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R = Résistant U = Non satisfaisant

D MAC 025 E

290°C

250°C

200°C

150°C

100°C

15°C

50°C

R

CARBONE

C 7 -2/A

13

CHOIX DES MATERIAUX À UTILISER POUR VEHICULER LA SOUDE CAUSTIQUE

Au-delà de 300°C, employer alliage nickel 99% - bas carbone (C ≤ 0,02%) 250 240 Limite d'emploi de l'acier inox en raison d'une corrosion fissurante

230 220 210 200

Zone

limite d'emploi

D

190 Nickel 99% C≤ 0,15 %

180

de l'acier inox en raison d'un

170 taux de corrosion 160 exagéré Température °C

150 140

Zone

130

C

Acier Inox Type 304

120

Zones

110 B

Zone

et

C

portées de

Robinetterie en alliage de Nickel ou stéllitées

100 90

B

Acier au carbone détensionnement nécessaire

80 70 Zone

A

60 Acier au carbone détensionnement non nécessaire

50 40

Courbe du point de fusion 30 D MAC 021 A

20 10 0

10

20

30

40

50

60 70 80 Concentration de soude en % poids

00530_D_F

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C 7 -2/A

14

2-

LA CORROSION GALVANIQUE Entre deux métaux différents plongés dans un électrolyte, existe une différence de potentiel. Si ces métaux sont en contact (c’est-à-dire connectés électriquement), un courant électrique s’établit. Le métal le moins noble (potentiel de dissolution le moins élevé dans la série galvanique) joue le rôle d’anode et se corrode. Exemples de piles galvaniques : -

hélice en bronze connectée à une coque de bateau en acier dans l’eau de mer assemblage à brides réunissant deux métaux différents assemblages soudés mixtes ou hétérogènes boîtes de distribution d’échangeurs en acier et faisceau tubulaire en laiton

; ; ; yy ;; yyy;; ;;; ; ; ; ; ; ; ; ;; ; ;;; yyy ; ; ; ;; ; yy ;;; ;; Plaque tubulaire en acier

Surface d'origine

Surface corrodée

Cuivre

Attaches de zinc

Acier

Étendue de la corrosion de l'acier dans l'eau du robinet Surface d'origine

;;; yyy Surface corrodée

Cuivre

Acier

Tubes d'aluminium

Vis en alliage d'aluminium

D MAC 026 A

Étendue de la corrosion de l'acier dans l'eau de mer

Bandes de zinc fixées à la plaque tubulaire d'acier pour protéger les tubes d'aluminium de la corrosion galvanique.

00530_D_F

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C 7 -2/A

15

SÉRIE GALVANIQUE DANS L'EAU DE MER EN MOUVEMENT

volts par rapport à l'électrode au calomel saturé (Active) - 1.6

- 1.4

- 1.2

- 1.0

- 0.8

- 0.6

- 0.4

- 0.2

0

(Noble) 0.2

Graphite Platinum Ni-Cr-Mo alloy C Titanium Ni-Cr-Mo-Cu-Si alloy G Nickel-ion-chromium alloy 825 Alloy 20 stainless steels, cast and wrought Stainless steel-types 316,317 Nickel-copper alloys 400, K-500 Stainless steel-types 302, 304, 321, 347 Silver Nickel 200 Silver-bronze alloys Nickel-chromium alloy 600 Nickel-aluminium bronze 70-30 copper nickel Lead Stainless steel-type 430 80-20 copper-nickel 90-10 copper-nickel Nickel silver Stainless steel-type 410, 416 Tin bronzes (G & M) Silicon bronze Manganese bronze Admiraity brass, aluminium brass 50Pb-50Sn solder Copper Tin Naval brass, yellow brass, red brass

Low-carbon steel, cast iron Cadmium Aluminium alloys Beryllium Zinc Magnesium

D MAC 028 A

Aluminium bronze Austenitic nickel cast iron Low-alloy steel

Galvanic series for seawater. Dark boxes indicate active behavior of active-passive alloys

Certains alliages repérés par le symbole peuvent devenir actifs (potentiels voisins de 0,5 v) en eau de mer stagnante ou faiblement aérée.

00530_D_F

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16

C 7 -2/A

Prévention : -

sélectionner des métaux très proches dans la série galvanique isoler deux métaux dissemblables (rondelles, entretoises en Bakélite) installer une anode sacrificielle (électrode plus anodique que les deux métaux) utiliser des inhibiteurs

Étude de cas Type d’avarie

:

corrosion galvanique de la plaque tubulaire d’un condenseur

Matériaux

:

plaque tubulaire → cupro-aluminium UA 9 N 5 Fe 3 Mn faisceau → titane

Conditions de service :

eau de réfrigération/eau portuaire

Nombre d’heures d’utilisation

:

3 mois de mise en eau

Commentaires

:

la microstructure superficielle de la plaque tubulaire sur 3 à 4 mm de profondeur est très différente de celle existant à cœur ; cette structure, incomplètement transformée lors du refroidissement qui a suivi le laminage à chaud de la plaque, ne contient pas la phase “Kappa III” riche en nickel qui confère à l’alliage sa résistance maximale à la corrosion. Un traitement thermique de qualité aurait permis d’améliorer notablement la résistance à la corrosion du matériau en particulier dans les zones où le couplage galvanique avec les tubes en titane lui est défavorable.

Remèdes

:

une protection cathodique à courant imposé a été installée

Illustrations

:

cliché a : corrosion de la plaque tubulaire côté entrée eau cliché b : profil d’une zone corrodée cliché c et d : la corrosion progresse en contournant les îlots blancs de la solution solide Cu-Al (désalumination du cupro-aluminium)

00530_D_F

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C 7 -2/A

D MAC 053 A

D MAC 052 A

17

c

D MAC 054 A

a b d

00530_D_F

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C 7 -2/A

18

3-

LA CORROSION PAR CREVASSE Elle correspond à une attaque électrochimique par “aération différentielle”. Elle est généralement associée à de petits volumes de solution stagnant dans les trous, sous dépôt, sous joints non étanches. Mécanismes

Solution aérée de chlorure

Métal

ClCrevasse anodique

Cathode : zone oxygénée Flux d'électrons

Métal

D MAC 029 A

Zone appauvrie en oxygène Acidifiée par hydrolyse des sels A concentration élevée en ions Cl-

ClCl-

Mécanisme de la corrosion caverneuse.

Dans le cas du fer plongé dans l’eau de mer, les deux réactions intéressent la surface : - oxydation : Fe → Fe2 + 2 e– - réduction : 1/2 O2 + H2 O + 2 e– → 2 OH– Au bout d’un certain temps, il y a appauvrissement en oxygène. L’excès de charges positives Fe2+ dans la crevasse est balancée par la migration des ions Cl– qui diffusent plus vite que les ions OH–. Il y a concentration dans la crevasse de chlorures de fer qui sont hydrolysés : Fe 2+ + 2 Cl– + 2 H2O → Fe (OH)2 + HCl Il y a acidification localisée (le pH peut être égal à 2), ce qui accélère la corrosion. À l’extérieur de la crevasse, on a une zone protégée à tendance alcaline : 2 Na + 2 OH– → 2 NaOH

00530_D_F

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C 7 -2/A

Prévention : - les assemblages soudés sont préférables aux assemblages boulonnés ; il faut exiger pour les soudures une pénétration complète -

refermer les crevasses lorsque c’est possible par soudage

- concevoir des récipients facilement nettoyables et lavables de façon à empêcher tout dépôt de se former -

inspecter et enlever les dépôts régulièrement

-

prévoir l’enlèvement des solides en suspension dès le début du procédé

-

utiliser des joints qui n’absorbent pas l’humidité

-

mettre en œuvre un système de protection cathodique

- choisir des matériaux résistant à ce type de corrosion tels que les aciers inoxydables austénitiques contenant du molybdène et du cuivre Étude de cas Type d’avarie

:

corrosion caverneuse d’un circuit de protection incendie

Matériaux

:

tuyauterie roulée-soudée en acier inoxydable austénitique nuance AFNOR Z 2 CN 18.10

Conditions de service :

tuyauterie maintenue pleine d’eau de ville stagnante

Nombre d’heures d’utilisation

:

3 mois

Commentaires

:

des percements par corrosion ont été constatés à l’aplomb des soudures circonférentielles ou longitudinales ou à quelques millimètres de part et d’autre de celles-ci. Les nombreuses fuites localisées dans le métal d’apport des soudures résultent d’une corrosion caverneuse en eau brute stagnante qui s’est développée à partir de microcavités. L’origine de ces cavités est à relier à l’utilisation de produits décapants et/ou passivants du type fluonitrique imparfaitement éliminés avant et après le soudage

Remèdes

:

la conservation en eau déminéralisée additionnée de phosphate trisodique qui a été préconisée ne permet peut être pas d’éviter à terme tout risque de corrosion

Illustrations

:

cliché a et b : vue de la paroi interne d’une tuyauterie en acier inoxydable austénitique corrodée au voisinage immédiat des soudures cliché c et d : corrosion caverneuse amorcée en paroi interne à l’aplomb des cordons de soudure

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00530_D_F

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D MAC 060 A

C 7 -2/A

D MAC 062 A

D MAC 061 A

D MAC 059 A

20

C 7 -2/A

21

4-

LA CORROSION PAR PIQÛRES La corrosion se limite à des trous très localisés, pouvant progresser très rapidement en profondeur alors que le reste de la surface n’est pas attaqué. C’est une forme de corrosion insidieuse, car elle peut conduire très rapidement à des fuites avec une perte de poids négligeable (elle échappe aux contrôles par ultrasons traditionnels ; par contre, elle peut être mise en évidence par radiographie.

Solution aqueuse de chlorure

Zone oxygénée milieu à pH élevé 1/2 O2 + H2O + 2e2 OH-

ClCl-

Abaissement du pH de la solution Appauvrissement en oxygène Concentration en ions Cl- nocifs

Cl-

ClFlux d'électrons

Cl-

Cathode

Anode

D MAC 030 A

Métal

Mécanisme de la corrosion par piqûres.

Le mécanisme est sensiblement identique à celui de la corrosion par crevasse. La progression est d’autant plus rapide que le rapport de surface entre les surfaces anodiques et les surfaces cathodiques est défavorable (densité élevée du courant d’électrolyse). Les inclusions contenues dans le métal, les particules ferreuses incrustées lors de la fabrication d’un appareil en acier inoxydable, …) constituent autant de zones anodiques potentielles. Les aciers inoxydables austénitiques sont particulièrement exposés à ce genre d’agression en présence d’espèces chimiques dépassivantes (halogènes, hypochlorites, cation oxydant tels le Fe3+). Prévention : -

les méthodes déjà retenues pour la corrosion par crevasse sont utilisables

-

augmenter la vitesse de circulation des fluides

-

affiner l’état de surface

- l’acier au carbone résiste mieux au “pitting” que l’acier inoxydable austénitique dans certains milieux (eau de mer par exemple) - l’addition de molybdène (2 %) à l’acier inoxydable austénitique à 18 % de chrome et 8 % de nickel (utilisation d’un acier nuance AISI 316 L à la place d’un acier nuance AISI 304 L) améliore considérablement la résistance au pitting

00530_D_F

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C 7 -2/A

22

304 316 Hastelloy F Hastelloy C Titane

-

Résistance au pitting accrue

D MAC 031 A

La liste ci-après donne la résistance au pitting de certains matériaux :

les matériaux qui présentent du pitting lors des essais de corrosion doivent être éliminés

- les inhibiteurs ne sont utilisables que s’ils sont efficaces à 100 % ; dans le cas contraire, ils peuvent renforcés le pitting -

la protection cathodique au-dessous du potentiel critique de pitting peut être intéressante

Étude de cas Type d’avarie

:

corrosion par pitting d’un échangeur à plaques

Matériaux

:

plaque en acier inoxydable austénitique nuance AFNOR Z 5 CND 17.12

Conditions de service :

eau brute/eau de réfrigération

Nombre d’heures d’utilisation

:

marche discontinue pendant 10 mois

Commentaires

:

passage de particules de fer et incrustation de ces particules lors des essais de mise en pression

Remèdes

:

remplacement des plaques percées ; nettoyage et repassivation des plaques pour élimination des points de rouille

Illustrations

:

cliché a : coloration rouille généralisée d’une plaque cliché b et c : taches de rouille et cratère en sommet d’onde cliché d : déformation localisée de la plaque due à la présence d’une incrustation sur la face opposée

00530_D_F

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C 7 -2/A

D MAC 064 A D MAC 065 A

D MAC 063 A

23

00530_D_F

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C 7 -2/A

24

5-

LA CORROSION INTERGRANULAIRE Les métaux et alliages sont généralement constitués de grains, limités entre eux par des interfaces appelés “joints de grains”. La corrosion intergranulaire est due à la présence d’impuretés dans le joint de grain et à l’enrichissement ou à l’épuisement de l’un des constituants de l’alliage dans la zone proche du joint. Le cas le plus fréquemment rencontré est celui des aciers inoxydables austénitiques. Ces alliages, exposés à des températures comprises dans le domaine 400°C-900°C, sont le siège d’une précipitation intercristalline de carbures de chrome. L’incursion dans ce domaine de température peut être due : - soit à la température de service - soit lors d’une opération de soudage - soit lors d’un traitement thermique mal conduit dans le domaine de sensibilisation (par exemple refroidissement trop lent) La précipitation de carbures riches en chrome entraîne de part et d’autre du joint de grain une véritable “déchromisation” de l’alliage (la teneur en chrome peut chutée en-dessous de 13 %). Ces zones deviennent alors anodiques par rapport au reste de la structure.

Ct%

Carbure intercristallin M23C8

x

x'

Zones cathodiques Zones anodiques x'

18 13

Zones déchromées anodique

Carbures M23C8

Aspect schématique d'une structure austénitique déchromée par la précipitation de carbures complexes riche en chrome

Zones déchromées anodiques

Variation de la teneur en chrome selon le trajet x' x précisé sur la figure ci-contre

00530_D_F

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D MAC 032 A

x

C 7 -2/A

yyy ;;; ;;; yyy ;;; yyy ;;; yyy

D MAC 066 A

25

Zone corrodée de la soudure

yyyyyyy ;;;;;;; ;;;;;;; yyyyyyy ;;;;;;; yyyyyyy

Métal de base non corrodé

D MAC 033 A

Métal fondu

Zone affectée thermiquement de la soudure

Frappée avec un marteau, une zone attaquée rend un son sourd, à l’opposé du son métallique d’une pièce saine.

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26

C 7 -2/A

Prévention : - pour les aciers inoxydables austénitiques, traitement thermique à 1100°C suivi d’une trempe rapide (hypertrempe) ; à cette température, les carbures de chrome sont dissous et un alliage plus homogène peut être obtenu - utilisation d’aciers inoxydables à bas carbone (nuances 304 L, 316 L de l’ASTM) : moins il y a de carbone moins il y a d carbures -

utilisation d’aciers inoxydables “stabilisés” au titane ou au niobium (nuances 321 ou 347 de l’ASTM) ; le titane et le niobium sont plus carburigènes que le chrome et forment plus facilement des carbures, ce qui évite les déchromisations localisées

Étude de cas Type d’avarie

:

fissuration en service de tubes de refroidissement de carter

Matériaux

:

acier inoxydable austénitique nuance Tu Z 2 CN 18.10

Conditions de service :

eau déminéralisée à 60°C

Nombre d’heures d’utilisation

:

10000 heures

Commentaires

:

les tubes sont noyés dans un carter en alliage d’aluminium ; les fissures sont localisées au niveau des extrémités apparentes qui ont été cintrées à chaud. Les tubes ont été sensibilisés lors du cintrage à chaud par suite de l’utilisation d’une nuance à carbone élevé (Tu Z 6 CN 18.10), non conforme à la spécification d’approvisionnement. La corrosion intercristalline s’est déclenchée par suite d’une pollution du circuit par des produits chlorés et soufrés

Remèdes

:

remplacement des pièces en utilisant un matériau adapté

Illustrations

:

cliché a : carter et cintres apparents du circuit de refroidissement cliché b : fissurations traversantes détectées par ressuage cliché c et d : fissuration issue de la surface interne à cheminement essentiellement intercristallin

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D MAC 070 A

D MAC 067 A D MAC 069 A

00530_D_F

D MAC 068 A

C 7 -2/A

27

28

6-

C 7 -2/A

LA CORROSION SOUS CONTRAINTE Elle se produit sous l’action simultanée de contraintes et d’un milieu corrosif. Elle provoque la fissuration intergranulaire ou transgranulaire du métal, souvent sous forme ramifiée. • Effets de contraintes Les contraintes peuvent avoir des origines diverses : -

contraintes thermiques contraintes d’écrouissage contraintes résiduelles de soudage charge appliquée

Le minimum de contrainte nécessaire pour initier la fissuration dépend de la composition de l’alliage, de la nature et de la température de l’environnement. Dans certains cas, un niveau de contrainte égal à 10 % de la limite élastique suffit pour déclencher le processus de corrosion sous contrainte. • Effet du temps La vitesse de fissuration dépend de nombreux paramètres. Elle peut être constante au démarrage du phénomène, mais peut s’accélérer très rapidement par suite de la diminution de la section. • Effet de l’environnement Nous proposons ci-après une liste non exhaustive de plusieurs environnements qui provoquent la corrosion sous contrainte de quelques métaux et alliages : →

H 2 S humide, soude, solutions de cyanure (HCN) nitrates en solution, M.E.A., …

-

aciers inoxydables →

halogènes, soude, potasse, eau de mer, …, acides polythioniques

-

laiton

→

ions ammonium (NH4 +), mercure (Hg)

-

titane

→

méthanol

- aciers au carbone

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C 7 -2/A

29

• Facteurs métallurgiques La susceptibilité à la corrosion sous tension est affectée par la composition de l’alliage, l’orientation des grains, la composition et la distribution des précipités.

500

σ/MPa

316

250

0 -1

314 310

304

MgCl2 42%

0

1 log t/h

2

3

Influence de la teneur en nickel sur la résistance à la corrosion sous contrainte

La présence de ferrite dans les aciers inoxydables austénitiques augmente la résistance à la corrosion sous tension. Mécanisme : - les contraintes de tension brisent les films protecteurs à la surface du métal et permettent le démarrage de la corrosion en divers points - la corrosion joue aussi un rôle important dans le démarrage des fissures (piqûres et autres discontinuités qui augmentent les contraintes) -

la propagation se fait sous l’action conjointe de la corrosion et des contraintes

00530_D_F

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30

C 7 -2/A

Prévention : -

réduction des contraintes par traitement thermique de relaxation

-

augmentation de la section ou réduction des charges appliquées

-

élimination de l’élément corrosif dans l’environnement

-

utilisation d’un alliage plus résistant

-

utilisation de la protection cathodique quand la fissure se propage par dissolution anodique d’ions métalliques

-

utilisation d’inhibiteurs

-

mise en compression de la surface par sablage

Étude de cas : -

corrosion sous contrainte d’une tuyauterie en acier au carbone en présence de soude

-

corrosion sous contrainte d’un acier inoxydable austénitique initiée sous calorifuge

-

corrosion sous contrainte d’un acier inoxydable austénitique par les acides polythioniques

-

corrosion sous contrainte de tiges filetées en présence d’H2S humide

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31

C 7 -2/A

D MAC 071 A

CORROSION SOUS CONTRAINTE EN PRÉSENCE DE SOUDE

D MAC 072 A

Vue générale du collecteur de vapeur

Indications du ressuage observées sur la surface interne au droit d'une soudure

00530_D_F

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C 7 -2/A

32

D MAC 074 A

Fissures transversales et longitudinales détectées sur la paroi interne du collecteur

D MAC 073 A

Fissures affectant les métaux de base de part et d'autre de la soudure

D MAC 075 A

Fissure principale et ramification secondaire à cheminement cristallin

00530_D_F

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C 7 -2/A

33

CORROSION SOUS CONTRAINTE D'UN ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE INITIÉE SOUS CALORIFUGE

Patin Renfort

D MAC 076 A

Tube

D MAC 077 A

D MAC 078 A

Fissuration des soudures renfort/tube et renfort/patin

Fissurations multiples du tube observées après enlèvement du renfort

Indications observées après contrôles par ressuage

00530_D_F

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C 7 -2/A

D MAC 079 A

D MAC 080 A

34

Spectre d'analyse X révélant la présence d'une quantité importante de chlore

Multiples fissurations transcristallines issues de l'interface renfort/tube

00530_D_F

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C 7 -2/A

35

Corrosion sous contrainte d’un acier inoxydable AISI 321 par les acides polythioniques

yy ;; D MAC 035 A

;yy; y;y; Soudure bout à bout

Coude

tube

Soudure à "clin" chemisage intérieur

Schéma représentatif de l’assemblage

B

A

A

D MAC 036 A

B

Indication de ressuage détectée côté surface interne du tube

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C 7 -2/A

D MAC 081 A

36

Examen au MEB Rupture essentiellement intergranulaire

00530_D_F

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D MAC 083 A

D MAC 082 A

Coupe transversale à la soudure Fissuration transversante côté tube

Fissure cristalline issue de la surface interne

C 7 -2/A

37

D MAC 084 A

CORROSION SOUS CONTRAINTE EN MILIEU H2S HUMIDE

D MAC 085 A

Déformation des tiges non rompues

Rupture des tiges dans la partie tendue

00530_D_F

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C 7 -2/A

D MAC 086 A

38

D MAC 087 A

Vue en coupe d'une tige rompue Multiples fissurations issues du plan de rupture et des fonds de filet

Fissurations transcristallines typiques d'une SSCC

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7-

C 7 -2/A

TENUE DES MATÉRIAUX SOUS CALORIFUGE a - Corrosion sous calorifuge La corrosion atmosphérique des matériaux (l’oxydation → la rouille) est un souci permanent dans l’industrie. Beaucoup plus importante sous calorifuge, parce que : -

non parfaitement étanche joue le rôle d’une éponge maintien d’une atmosphère humide concentration des espèces corrosives

Plus dangereuses sous calorifuge, parce que : -

cachée aléatoire difficile à détecter, car il faut décalorifuger (opération onéreuse)

Plus à redouter à basse température, car constamment humide. Se manifeste principalement : -

sur les aciers au carbone et faiblement alliés entre 0 et 80°C (0,5 mm/an). Le taux de corrosion double tous les 15°C environ

-

sur les aciers inoxydables : • piqûres et crevasses à basse température • fissuration par corrosion sous contrainte entre 70 et 150-200°C

b - Choix du type de calorifuge Un calorifuge n’est jamais parfaitement étanche : -

même avec les joints mastic aux raccords des tôles

-

les cellules “fermées” du polyuréthane ne constituent pas non plus une barrière

-

le polyuréthane projeté est particulièrement à redouter

-

les cycles thermiques (variations de température, démarrages) : • → fissures • → décollements dans l’isolant et dans les pare-vapeurs

-

les pare-vapeurs des installations froides sont tous non totalement étanches à la vapeur d’eau

-

sur appareils en acier inoxydable la teneur en ions Cl– (extractibles à chaud par l’eau) doit être inférieure à 5-10 mg/kg

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C 7 -2/A

c - Matériels concernés – Équipements ou parties d’équipements dont la température est entre 0 et 80°C. – Appareils où la présence d’eau est fatale (fonte de glace). – Pieds de bacs calorifugés. – Installations à l’arrêt (principalement de longue durée). – Tous points singuliers favorisant : -

les infiltrations d’eau les différences de température (ponts thermiques), comme : • • • • • •

piquages patins, pendards fenêtres dans le calorifuge partie inférieure de tuyauterie verticale arrêt de calorifuge fixations ou supportages d’échelles, goussets, supports de calorifuge

d - Remèdes – Ne jamais considérer que le calorifuge est toujours étanche. – Protéger les matériels susceptibles d’oxydation : -

peinture adaptée polyester métallisation, dans les cas sévères (chocs thermiques) prévoir une surépaisseur de corrosion changement éventuel de matériau

– Choix judicieux du calorifuge. – Éviter les pénétrations d’eau : collerettes et déflecteurs sur la partie supérieure des piquages horizontaux. – Si possible, réduire le nombre de piquages. – Éviter de calorifuger des lignes tièdes. – Détecter à temps les dégradations : -

visites périodiques soudages gammagraphies (calorifuge en place) thermographies

– Entretien du calorifuge. – Remplacement des tôles fortement corrodées.

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8-

C 7 -2/A

ÉPREUVES HYDRAULIQUES Les précautions à prendre : -

avant le test : • nettoyage de l’appareil pour éliminer tous solides (sable, bois, baguettes de soudure, chiffons, bouteilles, etc.) • si possible faire le test juste avant la mise en service de l’installation

-

pendant le test : • utiliser de préférence une eau contenant le moins de Cl– (surtout sur inox) possible et exempte de bactéries (même sur inox) • ajouter, si nécessaire, inhibiteur de corrosion et bactéricide, surtout si l’eau doit séjourner longtemps après le test

-

après le test : • vider et purger complètement • sur appareils en inox, rincer et purger plusieurs fois avec de l’eau déminéralisée, puis sécher mécaniquement ; proscrire le séchage par gaz chauds qui ne fait que concentrer localement les ions Cl– . Ajouter éventuellement NaNO 3 (inhibiteur de corrosion) : 3-5 mg NaNO3/mg Cl–

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C 7 -2/A

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9-

LA CORROSION - ÉROSION Ce type de corrosion est produit par le mouvement du fluide sur la surface d’un métal. L’aspect mécanique du mouvement est important. Des phénomènes de turbulence, de collision, de couplage galvanique, peuvent contribuer à détruire les films protecteurs et entraîner des vitesses de corrosion très élevées sur des matériaux par ailleurs très résistants à l’état statique. Corrosion de métaux par l’eau de mer en mouvement à diverses vitesses(a) Taux caractéristiques de corrosion mg/dm2/jour

Matériau

Acier Fonte Bronze au silicium Laiton amirauté Bronze hydraulique Bronze G Bronze d’aluminium (Al 10 %) Laiton d’aluminium 90-10 Cu-Ni (0,8 % Fe) 70-30 Cu-Ni (0,05 % Fe) 70-30 Cu-Ni (0,5 % Fe) Monel Acier inoxydable (type 316) Hastelloy C Titane

(a) (b) (c) (d)

0,3 m/s(b)

1,2 m/s(c)

8,1 m/s(d)

34 45 1 2 4 7 5 2 5 2 (1) (1) 1 (1) 0

72 — 2 20 1 2 — — — — (1) (1) 0 — —

254 270 343 170 339 280 236 105 99 199 39 4 (1) 3 0

Données de l’international nickel Co Immergé dans le courant de la marée 0,3 m/s Immergé dans le courant d’eau de mer, 1,2 m/s Fixé à un disque rotatif immergé, 8,1 m/s

yyyy ;;;; ;;;; yyyy Pellicule de corrosion

Creux de corrosion par choc

Surface initiale du métal

Paroi du tube de métal

D MAC 040 A

Écoulement d'eau

La surface endommagée est marquée de sillons, de ravins, de trous ayant un aspect directionnel caractéristique.

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C 7 -2/A

Prévention : - choisir des matériaux plus résistants (par exemple, utilisation d’acier inoxydable austénitique en remplacement de l’acier au carbone sur les circuits de M.E.A. concentrée t chaude) -

améliorer la conception (forme géométrique, augmentation des diamètres et de l’épaisseur)

-

utiliser des revêtements protecteurs

Étude de cas Type d’avarie

:

dégradations importantes de la surface externe des tubes d’un réchauffeur basse pression

Matériaux

:

acier non allié nuance AFNOR Tu 42

Conditions de service :

côté calandre : vapeur 184°C ; intratube : eau 134°C/180°C

Nombre d’heures d’utilisation

:

27000 heures

Commentaires

:

les tubes sont recouverts d’un dépôt gris noir d’aspect cristallin constitué de magnétite Fe 3 O4 ; ils présentent ça et là des zones lisses et brillantes s’étendant parfois sur plusieurs dizaines de centimètres et correspondant à des zones dégradées par corrosion-érosion. Ces dégradations sont quelquefois accompagnées d’un percement du tube. Les plaques entretoises offrent des surfaces comportant une multitude de petites cavités jointives qui évoquent une surface grenaillée ; ces dégradations sont également imputables à la corrosion-érosion

Remèdes

:

remplacement de l’acier au carbone par un acier inoxydable austénitique TU Z 2 CN 18.10 plus résistant dans un mélange diphasique eau-vapeur

Illustrations

:

cliché a : dégradations des tubes et des plaques entretoises cliché b : aspect martelé typique d’une corrosion-érosion cliché c : surface lisse avec percement de tube

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C 7 -2/A

D MAC 095 A

D MAC 093 A

D MAC 094 A

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C 7 -2/A

10 - LA CORROSION BACTÉRIENNE La corrosion d’origine bactérienne peut affecter des métaux au contact d’eaux industrielles soit brutes soit obtenues par déminéralisation. Un très grand nombre d’alliages, de compositions très différentes, sont susceptibles d’être atteints : -

aciers non alliés aciers inoxydables austénitiques alliages cuivreux (cupronickel, bronze)

Le développement de ce type de corrosion dépend : -

du pH de la température de la teneur en oxygène dissous

La corrosion biologique se manifeste souvent sous forme de tubercules très rapprochées qui provoquent éventuellement des corrosions caverneuses. L’amas tuberculiforme, feuilleté, est très souvent creux à l’intérieur et contient parfois à l’intérieur une masse fluide noirâtre. L’addition de quelques gouttes d’acide chlorhydrique à la rouille suffit parfois pour déceler la présence de sulfure de fer (dégagement d’H2 S). Deux types de bactéries sont particulièrement bien connues : -

bactéries sulfato-réductrices Ce sont des bactérie anaérobies réductrices de sulfates, qui donnent des sulfures suivant la réaction : SO4 – – + 4 H2 → S– – + 4 H2 O (production de sulfures et d’hydrogène sulfuré) L’hydrogène est fourni par des plages cathodiques ou les composés organiques de l’environnement.

-

bactéries oxydant le soufre Ces bactéries aérobies sont capables d’oxyder le soufre des composés soufrés suivant la réaction : 2 S + 3 O2 + 2 H2O → 2 H2 SO4 On les retrouve dans les gisements de pétrole et dans les égouts où elles attaquent rapidement le ciment. Il y a parfois effets concomitants des bactéries sulfato-réductrices à la partie inférieure (fermentation anaérobie des boues déposées) et des bactéries aérobies à la partie supérieure.

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yy ;; ;;;; yyyy ;;;; yyyy ;; yy Eau

o

Fe (OH3)

ce

SFe S2Fe S i ctr u d B . S u lf a t o r e

CORROSION

Ferrobactéries

D MAC 041 A

Fe2+

Moyens de protection : - il convient d’éviter la stagnation prolongée de l’eau dans les tuyauteries et les zones mortes dans les circuits -

il est possible de dépister le phénomène par des numérations bactériennes et d’utiliser le bactéricide adapté (assez souvent des composés chlorés)

Étude de cas Type d’avarie

:

fuites en service sur un circuit d’eau industrielle

Matériaux

:

acier non allié nuance AFNOR Tu E 250 b

Conditions de service :

eau industrielle - 6 bars

Nombre d’heures d’utilisation

:

24000 heures

Commentaires

:

la surface interne du tube est recouverte d’une quantité importante de dépôts qui ont quasiment provoqué le bouchage de la tuyauterie ; l’analyse des dépôts montre qu’ils sont fortement chargés en soufre. De nombreux cratères avec percement du tube sont visibles sous dépôts

Remèdes

:

injection de bactéricides

Illustrations

:

cliché a et b : importante quantité de dépôts internes se présentant sous la forme de tubercules cliché c : cratères de corrosion visibles sous dépôts

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C 7 -2/A

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D MAC 098 A

D MAC 097 A

D MAC 096 A

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11 - LA CORROSION PAR L’HYDROGÈNE Les dommages causés par l’hydrogène se répartissent en trois catégories : -

hydrogène blistering fragilisation par l’hydrogène décarburation et attaque par l’hydrogène

Les deux premiers processus d’endommagement se rencontrent dans des procédés chimiques, lors d’opérations de décapage, de soudage, etc. Les deux derniers ne se présentent qu’à haute température. a - Hydrogène blistering Certains atomes d’hydrogène diffusent à travers le métal et sont arrêtés par des porosités ou des inclusions (telles que les sulfures de manganèse dans les aciers laminés) où ils se combinent sous forme de molécules d’hydrogène. La pression d’équilibre H/H2 est très élevée et suffit pour assurer la rupture de n’importe quel équipement par formation d’ampoules.

ÉLECTROLYTE H+

H

H

H2

H

e

H

e

H

H2

H

H H

Vésicule H

H2

D MAC 042 A

H

H+

H

D MAC 099 A

Il est à signaler que ce phénomène de cloquage est assez souvent accompagné de fissures disposées en escalier (Hydrogen Induced Cracking).

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Prévention : -

utilisation d’aciers calmés (absence de porosité) utilisation de revêtements métalliques, organiques ou inorganiques : • plaquage avec des aciers du type 304, 316, Monel ; l’hydrogène ne diffuse pas à froid dans les structures austénitiques • gunitage poreux favorisant par catalyse la transformation de H en H2 - caoutchouc et plastiques

- élimination des éléments poisons tels les sulfures, les cyanures et les composés d’arsenic (dans les raffineries, on lave les fractions légères à l’eau pour diluer l’H2 S et les cyanures) -

utilisation d’inhibiteurs adaptés

Étude de cas Type d’avarie

:

présence de cloques sur la surface interne d’une ligne d’effluent d’un reformage catalytique

Matériaux

:

acier à 0,5 % de Mo nuance ASTM A 335 P1

Conditions de service :

essences + hydrogène sous pression 33,7 bars à 395°C pression partielle d’hydrogène : 16 à 18 bars

Nombre d’heures d’utilisation

:

19 ans

Commentaires

:

la surface interne présente plusieurs cloques typiques d’un endommagement par hydrogène blistering ; les blisters sont apparus lors des deux dernières années de service par suite d’une élévation de la température process (490°C)

Illustrations

:

cliché a : blisters visibles sur la surface interne du tube cliché b : coupe perpendiculaire à la surface interceptant deux blisters ; il est à noter la présence de fissures en escalier au voisinage des cloques

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C 7 -2/A

D MAC 101 A

D MAC 100 A

50

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b - Fragilisation par l’hydrogène Il y a fragilisation du matériau par pénétration d’hydrogène atomique qui se fixe sur des imperfections (dislocations, inclusions, …). Si une charge est appliquée, une fissure peut se créer. À titre d’exemple, un acier au carbone, chargé en hydrogène, peut subir une baisse de ductilité conséquente, matérialisée par une chute importante de l’allongement (baisse de 42 % à 7 %). Les aciers à hautes caractéristiques mécaniques sont particulièrement sensibles à ce type de fragilisation et d’autant plus qu’ils sont soumis à des contraintes plus élevées. La tendance à la fragilisation est renforcée par la concentration d’hydrogène dans le métal, mais le phénomène est réversible. Ceci signifie que l’on peut retrouver les propriétés mécaniques initiales par déplacement de l’hydrogène. Prévention : -

pendant les opérations de décapage, il faut utiliser un inhibiteur qui protégera le métal d’un fort dégagement d’hydrogène

-

lors des revêtements électrolytiques, il faut éviter les dégagements d’hydrogène

-

étuvage par réchauffage à 200°C qui déplace l’hydrogène

- éviter d’utiliser des aciers à haute résistance mécanique (une règle générale recommande de ne pas dépasser une dureté de 22 HRC) -

le nickel et le molybdène réduisent la susceptibilité à la fragilisation

- utilisation lors du soudage d’électrodes à bas hydrogène et d’étuves permettant de lutter contre les reprises d’humidité ; le préchauffage et surtout le postchauffage de la soudure sont conseillés Étude de cas

yyyyy ;;;;; H γ HH

ef

γ

eB

α Fe3C M f

D MAC 043 A

Fissuration à froid lors du soudage d’une tôle en acier E 36.

Processus de diffusion de l’hydrogène et fissuration à froid. θF = isotherme de transformation de l’austénite au refroidissement en zone fondue. θB = isotherme de transformation de l’austénite au refroidissement en zone thermiquement affectée. M = martensite.

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D MAC 102 A

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Fissure sous cordon sur fond martensitique. Acier E 36 ; soudure exécutée à l’arc électrique avec électrode rutile

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III - TYPES DE CORROSION SÈCHE (à haute température) 1-

DÉCARBURATION ET ATTAQUE PAR L’HYDROGÈNE Dans les unités de conversion utilisant de l’hydrogène à haute pression et haute température, les structures en acier en contact avec la phase gazeuse sont susceptibles de présenter le phénomène d’attaque par l’hydrogène à chaud (température > 200°C). Le principal effet de l’hydrogène à haute température est une décarburation de l’alliage suivant le processus suivant : Fe 3 C + 2 H2 → 3 Fe + CH4 Le méthane formé se rassemble préférentiellement aux joints des grains. Il ne peut diffuser et provoque la fissuration intergranulaire du métal. Prévention : -

remplacement de la cémentite par un carbure stable ; on élabore des aciers à carbures stables par addition d’éléments stabilisants qui sont, par ordre croissant d’efficacité : Mn, Mo, Cr, W, V, Ti, Nb

- les aciers au chrome-molybdène sont très souvent utilisés ; les courbes de Nelson renseignent sur les limites d’utilisation de ces aciers -

pour des conditions de pression et de température très sévères, on utilise des aciers inoxydables austénitiques à très bas carbone ou stabilisés

- utilisation d’aciers à grains fins (la cémentite sphéroïdale est plus stable que sous forme lamellaire) -

détentionnement des soudures

- éviter les surchauffes en service, même de courte durée ; la pénétration de la décarburation est considérablement accélérée par une augmentation de la température -

surveillance par des mesures d’atténuation réalisées par ultrasons

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C 7 -2/A

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INFLUENCE D’UNE ATMOSPHÈRE OH2 SUR LE COMPORTEMENT MÉTALLURGIQUE D’ACIERS POUR RÉSERVOIRS À PRESSION

Température (°c)

°C 0,1% Mo

500

INFLUENCE DE LA TENEUR

0,2% Mo 0,3% Mo

0,4% Mo

0,5% Mo

400

300

700

Décarbu

ration de

Acier à 1

600

,25% Cr

500

Acier

la surfac

A cie 20

e

r ou ca

rbone

30

40

50

60

70 bar abs.

Acier à 6% Cr - 0,5% Mo - 0,5% M

o

Acier à 3% Cr - 0,5% Mo

à 0,5

% Mo Acier à 2% Cr - 0,5% Mo

400

Acier à 1,25% Cr - 0,5% Mo ou 1% Cr -

300

0,5% Mo

D MAC 044 A

Acier au carbone

200 0

50

100

150

Pression partielle de l'hydrogène (bar abs.)

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200

400

600

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Étude de cas Type d’avarie

:

fuite en service sur une ligne d’effluent d’un reformage catalytique

Matériaux

:

acier à 0,5 % Mo - nuance ASTM A 335 P1

Conditions de service :

essences + hydrogène sous pression 33,1 bars à 343°C pression partielle d’hydrogène aux environs de 15 bars

Nombre d’heures d’utilisation

:

19 ans

Commentaires

:

la fuite en service est due à une fissuration du matériau due à une attaque à chaud par l’hydrogène ; une augmentation de la température de service (435°C) est à l’origine du processus d’endommagement

Illustrations

:

cliché a : fissuration de la soudure et du métal de base cliché b : décarburation de l’acier au voisinage de la fissure

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C 7 -2/A

D MAC 104 A

D MAC 103 A

56

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2-

C 7 -2/A

CORROSION PAR LES GAZ, FUMÉES ET VAPEURS D’EAU L’oxygène présent à l’état libre dans l’atmosphère ou les fumées joue un rôle prépondérant, mais les gaz industriels et les fumées contiennent également des produits à l’état combiné tels que le SO2, le CO 2 , l’H2 S, sans compter la vapeur d’eau à l’état surchauffée qui constituent des milieux nettement plus agressifs que l’atmosphère. Selon le milieu considéré et la température de service, les dégradations constatées se manifestent par : -

une oxydation du matériau qui augmente avec la température

-

une carburation du matériau qui provoque la fragilisation du métal et accélère son oxydation

- des attaques préférentielles (attaques intergranulaires de certains alliages de nickel en présence de soufre et de composés soufrés) - des oxydations catastrophiques comme celles provoquées par les oxydes de vanadium (vanadyl-vanadates de sodium/Na2 O, V2 O4 , 5 V 2 O5 ) La représentation schématisée de la planche suivante montre les types de corrosion produits par la combustion du fuel.

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C 7 -2/A

D MAC 045 A

CORROSION PAR LA COMBUSTION DU FUEL

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C 7 -2/A

59

D MAC 106 A

D MAC 105 A

SPECTRES D'ANALYSES X (EDAX)

Spectres d'analyses obtenues à la surface d'un tube de chaudière ayant subi une oxydation catastrophique par les oxydes de vanadium

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C 7 -2/A

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Prévention : - choisir un alliage adapté au milieu et à la température d’utilisation (aciers alliés au chrome, alliages Ni-Cr, …) - ne pas faire fonctionner les équipements à des températures de service supérieures aux limites d’utilisation des matériaux - addition au combustible de certains oxydes qui relèvent le point de fusion des composés qui provoquent l’oxydation catastrophique des matériaux

3-

CORROSION PAR LE SOUFRE à HAUTE TEMPéRATURE La corrosion par différents composés du soufre entre 260°C et 540°C est un problème courant en raffinerie. Les composés soufrés proviennent des bruts et sont essentiellement constitués de polysulfures, d’H2 S, de mercaptans et de thiophènes. À l’exception des thiophènes, les autres composés soufrés réagissent avec la surface du métal à haute température, formant des sulfures métalliques, des molécules organiques et de l’H2 S. L’agressivité des composés soufrés augmentent généralement avec la température. En fonction des conditions de process, la corrosion peut être uniforme, localisée ou de type corrosionérosion. Son évolution dépend essentiellement de la formation de sulfures protecteurs. En général, le nickel et les alliages riches en nickel sont rapidement attaqués par les composés soufrés à haute température, alors que les aciers contenant du chrome résistent bien. Pour des teneurs en soufre total ≤ 0,6 % et en l’absence d’H 2 S, l’expérience a montré que le taux de corrosion est relativement faible. L’acier au carbone est couramment utilisé, à l’exception de certains équipements (viroles et plateaux de tour de distillation) qui sont plaqués avec des aciers inoxydables à 12 % de chrome (AISI 405). Courbes modifiées de Mc Conomy montrant l’effet de la température sur la corrosion par le soufre de différents aciers Température, °C 50

Corrosion rate, mm/yr

20 10 5

250

300 Carbon steel

0.2

400 1.0

1-3 Cr 4-6 Cr

2 1 0.5

350

Sulfur content : 0.6 wt%

9 Cr 7 Cr 0.01 12 Cr

Corrosion rate, mm/yr

100

0.05

18/8

10-3

0.02 0.01 450 500 550 600 650 700 750 800

D MAC 046 A

0.1

Température, °C

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C 7 -2/A

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Pour des teneurs en soufre plus élevées, il est nécessaire d’utiliser des aciers alliés. Des aciers à 5 % et à 9 % de chrome sont le plus souvent utilisés (tubes de fours, lignes de transfert). Dans les sections de réaction et de régénération des unités de cracking catalytique, les températures importantes de fonctionnement nécessitent l’utilisation de revêtements réfractaires (béton, céramique) pour protéger l’acier de l’oxydation et de la corrosion par le soufre. Le réfractaire est aussi nécessaire pour protéger l’acier des phénomènes d’érosion par le catalyseur. Certains équipements peuvent être construits en acier inoxydable austénitique AISI 304 lorsque l’érosion n’est pas présente.

5 2 1 0.5 0.2 0.1 D MAC 047 A

Teneur en soufre, % poids

10

0.05 0.02 0.01 0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

Coefficient x 1,2 mm/an Effet de la teneur en soufre sur le taux de corrosion donné par les courbes de Mc Connoy dans la plage de température 290-400°C Il est à signaler que le degré de vaporisation et la présence d’un mélange diphasique peuvent avoir un effet important sur la corrosion par le soufre à haute température. La présence d’hydrogène augmente la sévérité de la corrosion par le soufre à haute température. En effet, l’hydrogène transforme les composés organo-soufrés présents dans le brut en H2 S. La corrosion devient alors une fonction de la concentration en H2 S. Il est alors nécessaire d’utiliser des aciers à l’aluminium, des aciers à 12 % de chrome contenant également de l’aluminium ou des aciers inoxydables AISI 321. Les courbes de Couper-Gorman donnent les taux de corrosion prévisionnels en fonction de la température et de la concentration en H2 S. Il a été démontré qu’aucune corrosion ne survenait en présence de très faibles quantités d’H2 S aux températures supérieures à 315°C parce que la formation des sulfures de fer n’était pas thermodynamiquement possible. Ces courbes sont applicables aux aciers au carbone non alliés ainsi qu’aux aciers légèrement alliés et fortement alliés (5 % Cr - 0,5 % Mo, 9 % Cr - 1 % Mo, 12 % Cr, 18 % Cr - 8 % Ni). Pour les aciers au carbone non alliés ou légèrement alliés, deux types de courbes sont utilisables suivant la nature du fluide véhicule (gazole ou essence).

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C 7 -2/A

Température °C

Température °C

Température °C

Température °F Acier carbone (hydrodésulfuration des gazoles)

Température °F Acier 5 Cr - 0,5 Mo (hydrodésulfuration des essences)

Température °F Acier 5 Cr - 0,5 Mo (hydrodésulfuration des gazoles)

Température °C

Température °C

Température °C

Température °F Acier 9 Cr - 1 Mo (hydrodésulfuration des essences)

Température °F Acier 9 Cr - 1 Mo (hydrodésulfuration des gazoles)

Température °F Acier inox 12% Cr (hydrodésulfuration des gazoles)

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`DMAC 048 A

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C 7 -2/A

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Dans la sélection des matériaux pour résister à la corrosion par le soufre à haute température en présence d’hydrogène, la possibilité d’une attaque à chaud par l’hydrogène doit également être prise en considération quand des aciers au carbone non alliés ou contenant moins de 1 % de chrome sont choisis pour fonctionner à des températures supérieures à 260°C avec des pressions partielles d’hydrogène supérieures à 7 bars.

4-

CORROSION PAR LES ACIDES NAPHTÉNIQUES Ce type de corrosion a été souvent mal différencié de la corrosion par le soufre. Il se trouve en effet que la corrosion par les acides naphténiques apparaît à des températures élevées et sans présence aqueuse, comme la corrosion par le soufre. C’est l’aspect très caractéristique de la corrosion apparaissant lors du traitement des bruts très riches en acides naphténiques qui a permis de discerner ce type d’agressivité particulier. Les acides naphténiques sont des acides organiques qui sont présents dans certains bruts, spécialement ceux provenant de Californie, du Venezuela, de l’Europe de l’Est et de Russie. La teneur en acide naphténique d’un brut est généralement exprimée par l’indice d’acide IA (Total Acid Number) qui est déterminée par titrage à la potasse. Les acides naphténiques sont corrosifs seulement à des températures ≥ 230°C et pour des indices d’acide compris entre 1 et 6. À une température donnée, le taux de corrosion est proportionnel à l’indice d’acide. Une élévation de la température augmente considérablement le taux de corrosion (multiplié par 3 pour une élévation de température de 55°C). La présence d’acides naphténiques peut accélérer les effets de la corrosion par le soufre à haute température dans les zones où l’écoulement est turbulent. La corrosion peut se développer aux environs de 230°C et dans la plage 290-345°C. Elle peut apparaître sous la forme de piqûres ou de plages corrodées à bords francs et tranchants. La corrosion a tendance à disparaître au-dessus de 350°C, probablement par formation d’une couche protectrice.

D MAC 107 A

Les aciers légèrement alliés et ceux contenant 12 % de chrome n’apportent aucun avantage comparativement aux aciers au carbone non alliés. D’autre part, les aciers inoxydables austénitiques 18-8 subissent des attaques par piqûres. En fait, les aciers et alliages résistants à la corrosion par les acides naphténiques correspondent aux aciers inoxydables austénitiques contenant du molybdène (AISI 316 ou mieux AISI 317, Alloy 20) et au titane grade 2.

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C 7 -2/A

IV - MOYENS DE PRÉVENTION 1-

CONCEPTION DES ÉQUIPEMENTS a - Épaisseur des parois Outre le fait que l’épaisseur d’un appareil doit être compatible avec les diverses considérations mécaniques, on se fixe une règle pour tenir compte de la corrosion. À cet effet, il existe dans les bureaux d’études et engineerings, des cahiers de spécifications qui précisent les surépaisseurs de corrosion pour chaque fluide véhiculé, en fonction du matériau et de la température. b - Règles de conception D’une façon générale, il faut éviter les hétérogénéités de tous ordres. Nous rappelons ci-après quelques règles pratiques à respecter : -

drainage efficace des récipients

-

facilité de nettoyage

-

étude de systèmes qui facilitent le remplacement des parties les plus vulnérables

-

éviter des contraintes excessives sur les composés exposés à un milieu corrosif

-

éviter le contact électrique de métaux dissemblables

-

éviter des courbes ou des étranglements brusques dans une tuyauterie

-

évite les points chauds et les points froids

- éviter les entrées d’air, exceptions faites pour certains matériaux comme les aciers inoxydables ou le titane qui résistent mieux aux acides contenant de l’air dissous ou d’autres oxydants Les représentations schématisées de la page suivante rappellent certaines des règles énoncées cidessus.

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C 7 -2/A

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CONCEPTIONS DES ÉQUIPEMENTS

MAUVAIS

BON

Soudure Corrosion caverneuse Encore mieux mais + cher !!

Purge des dépots

Acide

Concentration localisée

Acide

Gaz chaud se condensant

Gaz chaud

Condensation du gaz Calorifuge Métal A Soudure Tube métal B

Dilution du métal B et du métal A au niveau de la soudure Manchon de métal B

Écoulement turbulent Entrée

Érosion par choc

Tube

métal A métal B

Deflecteur

Corrosion galvanique

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Tube Matériaux isolant

D MAC 001 A

Calandre

C 7 -2/A

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Tube

Crevasse

Mauvais Soudure

Crevasses

Crevasses à l'assemblage fileté Mauvais

Mauvais

Soudure

Crevasse Mauvais

Soudure Bon Paroi de l'équipement Soudure

Piquage

Crevasse

Bon Soudure bout à bout

Bon

Mauvais

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D MAC 002 A

Doigt de gant

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2-

C 7 -2/A

LES INHIBITEURS DE CORROSION Il s’agit de substances qui, ajoutées en très petite quantité dans le milieu corrosif diminuent son agressivité vis-à-vis du métal. Il est possible de distinguer : -

inhibiteurs d’adsorption Il s’agit d’inhibiteurs filmants qui s’adsorbe à la surface pour donner un film protecteur. Ce sont des substances organiques du type monoamines ou polyamines.

-

poisons contrôlant le dégagement cathodique Certaines substances tels les ions arsenic, bismuth et antimoine retardent le dégagement d’hydrogène et peuvent dans certains cas être utiles pour inhiber la corrosion.

-

suppresseurs d’oxygène Ils enlèvent l’oxygène dissous contenu dans les solutions (sulfite de sodium, hydrazine).

-

inhibiteurs oxydants Il s’agit des chromates, des nitrites, des sels ferriques, etc. Ces substances élèvent le potentiel de corrosion dans la zone de passivation. Les molybdénates et les phosphates nécessitent de l’oxygène dissous pour avoir une action efficace.

3-

LES REVÊTEMENTS Ils constituent une barrière physique entre le milieu agressif et le métal à protéger. Leur efficacité dépend de leur propre comportement vis-à-vis du milieu agressif ainsi que de l’intégrité du revêtement. On distingue : - les revêtements métalliques obtenus soit par électrolyse (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, …), soit par immersion (Zn, Al, …), par diffusion (chromisation, shérardisation “Zn”), par projection (Zn, Al, …), par placage (tôles plaquées colaminées) - les revêtements non métalliques (peintures, vernis, émaux, verres, matières plastiques, caoutchouc, phosphatation et oxydation anodique)

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C 7 -2/A

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4-

LA PROTECTION ANODIQUE Elle consiste à élever la tension métal-milieu de manière à l’amener dans sa zone de passivation. On utilise en potentiostat qui amène la structure au-dessus de la tension de Flade de l’y maintient entre deux limites dans la zone de passivation.

Potentiostat

-

+

;;; yyy ;;; yyy ;;; yyy Cathode

Anode

D MAC 109 A

Référence

Protection anodique d’un réacteur chimique en utilisant un potentiostat et une électrode de référence (schématique)

D MAC 110 A

Log i

Protection anodique

Eυor

Eρ

Eb

E

Principe de la protection anodique d’un métal passivable : déplacement du potentiel dans le domaine passif correspondant à Ep < E < Eb

00530_D_F

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C 7 -2/A

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5-

LA PROTECTION CATHODIQUE Elle consiste à abaisser la tension métal-milieu de manière à l’amener dans sa zone d’immunité. Pratiquement deux possibilités sont utilisées :

- protection cathodique par anode sacrificielle, constituée d’un métal plus actif que le métal à protéger. On forme ainsi une pile galvanique

e ER

C

A

Schéma de protection cathodique d'un réservoir par "courant imposé"

D MAC 111 A

EM ep

Schéma de protection cathodique d'une canalisation enterrée par "anodes sacrificielles"

EM'

;y e-

M

M

ze + + z M

M' =

M'

Anode sacrificielle

ze z' + + M

P

R ca éac tho tio diq n ue

Diagramme d'Evans schématique montrant le phénomène de protection cathodique de M par M'

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D MAC 112 A

+ -

A

D MAC 050 A

;y;y y;

- protection cathodique par courant imposé, utilisant un générateur extérieur de f.e.m. réglable et une anode auxiliaire

C 7 -2/A

70

6-

EXAMENS NON DESTRUCTIFS La corrosion est souvent masquée dans les installations. On a recours alors à des méthodes d’examen non destructif pour vérifier l’état des équipements en service. Le tableau ci-dessous reprend les avantages mais aussi les limites des cinq méthodes les plus couramment utilisées en contrôle non destructif.

Méthodes

Avantages -

Radiologie

Ressuage

-

Inconvénients

Défauts internes sur grande profondeur : 10 – cm en X et 20 cm en γ courants Large gamme de matériaux Film : preuve Scopie : automatisation Tous défauts (porosités, fissures, …) Contrôle reproductible -

Prix revient élevé (films) Accès sur 2 faces Défauts linéaires non visibles si ⊥ au faisceau (laminages) Microfissures non vues Protection due aux dangers des rayonnements ionisants Méthode film assez lente

Méthode bon marché Facile d’emploi Assez rapide Sensible (fines criques) Toutes les matières sont justiciables de cet examen sauf si la surface est absorbante Systèmes portables

Uniquement sur défauts débouchant en surface État de surface et propreté de celle-ci sont importants Impossible à haute et surtout basse température Manipulations multiples Nettoyage et éventuellement application produit anticorrosif Produits toxiques

-

-

Magnétoscopie

-

Courants de Foucault

-

Ultrasons

-

Méthode sensible pour défauts de surface ou sous-jacents (épaisseur examinée < 1 cm) Bon marché Facile d’emploi Pas de calibration nécessaire Insensible aux faibles épaisseurs de protection Systèmes portables

-

Exclusivement sur métaux ferromagnétiques Pas d’information en profondeur Propreté échantillon avant et après examen Démagnétiser les pièces Possibilité de “brûler” les contacts sur la pièce Nécessité de définir mode de magnétisation en fonction des défauts recherchés

Pas de contact nécessaire Contrôle ‘in line” à haute vitesse (10 m/s parfois) Grande sensibilité (petits défauts) Ferreux et non ferreux Donne informations sur la dimension des défauts

Exclusivement sur métaux Pénétration < 6 mm Haute sensibilité, donc “rejets abusifs” possibles Méthode par comparaison Sensible aux parasites et à la température

Profondeur d’examen importante Haute sensibilité aux défauts à différentes profondeurs Résultats instantanés Automatisable Échantillon accessible sur une face Utilisable sur chantier Donne taille et localisation défaut

Personnel très entraîné Défauts en surface difficiles à voir Pas d’enregistrement (trace) Utilisation d’un couplant Orientation des défauts a un rôle important sur leur détectabilité

-

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C 7 -2/A

CONCLUSION Il n’existe pas de matériau idéal Tout alliage ou matériau a ses inconvénients et ses limites (métallurgiques, mécaniques et économiques). Il doit être sélectionné en fonction de son environnement et de la durée de vie choisie.

Parmi les actions de prévention : -

identifier les zones sujettes à corrosion ou dégradation

-

les contrôler et suivre leur évolution

-

détecter les changements influençant les phénomènes

-

préconiser les remèdes (réparation, remplacement, amélioration)

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE APPAREILS À PRESSION

C7

-2/B

CORROSION DANS L'INDUSTRIE PÉTROLIÈRE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

FAMILLES DE MILIEUX CORROSIFS................................................................................................ 1 1 2 3 4

-

Corrosion sèche (phase gazeuse) .................................................................................. 1 Corrosion humide (environnements/utilités) .................................................................... 2 Corrosion humide (fluides procédés) .............................................................................. 3 Corrosion par liquides anhydres...................................................................................... 4

INSTALLATIONS ET ÉQUIPEMENTS CONCERNÉS ........................................................................ 5 1 2 3 4 5 6

-

Production de pétrole brut ............................................................................................... 5 Maintien en pression des gisements de pétrole .............................................................. 6 Raffinage du pétrole brut (séparation) ............................................................................ 7 Raffinage du pétrole (conversion) ................................................................................... 8 Utilités ............................................................................................................................. 9 Stockage et transport des liquides ................................................................................ 10

MX DCA - 02354_A_F - Rév. 0

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13/04/2005

1

FAMILLES DE MILIEUX CORROSIFS

1 - CORROSION SÈCHE (phase gazeuse) • Oxydation à haute température O2, H2O, CO2 • Attaque par l’hydrogène H2 • Sulfuration à chaud H 2S • Sulfuration en présence d’hydrogène H2S + H2

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C 7 -2/B

2

C 7 -2/B

2 - CORROSION HUMIDE (environnements/utilités) • Corrosion atmosphérique : calorifuges, frigorifuges, ignifuges • Corrosion par les eaux : douces, eau de mer • Corrosion par les sols • Corrosions biologiques • Corrosion dans le béton • Corrosion par les condensations acides : fumées (fours, chaudières)

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3

3 - CORROSION HUMIDE (fluides procédés) • Corrosion par CO2 • Corrosion par H2S • Dégradations par pénétration d’hydrogène H2S, CN–, HF • Corrosion acide en tête de distillation de pétrole brut HCl, acides organiques, H2S • Corrosion par les acides forts HCl, H2SO4, HF • Corrosion par les bases fortes NaOH • Corrosion des inox par les acides polythioniques

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C 7 -2/B

4

4 - CORROSION PAR LIQUIDES ANHYDRES • Acides naphténiques • NH3 liquide (fissuration sous contrainte) • Acides purs HF, H2SO4 • Métaux fondus Zn, Cd

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C 7 -2/B

5

C 7 -2/B

INSTALLATIONS ET ÉQUIPEMENTS CONCERNÉS 1 - PRODUCTION DE PÉTROLE ET/OU GAZ

FLUIDES D'ANNULAIRES (SAUMURES)

GISEMENT

PUITS DE PRODUCTION

EFFLUENTS : PÉTROLE / GAZ / EAU + CO2 (H2S) + SELS (CL—, SO42—,...)

SOLS

ATMOSPHÈRE COLLECTES DE PRODUCTION

SOLS EAUX (DE MER)

SÉPARATEURS , WASH-TANKS, DESSALEURS, DÉSACIDIFICATION

ATMOSPHÈRE

PÉTROLE BRUT COMMERCIAL GAZ NATUREL COMMERCIAL

SUPPORTS DES INSTALLATIONS EN OFFSHORE

EAUX (DE MER) FOND MARIN

02354_A_F

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D MAC 3000 A

ATMOSPHÈRE

6

C 7 -2/B

2 - MAINTIEN EN PRESSION DES GISEMENTS DE PÉTROLE

EAUX (DE MER)

EAUX BRUTES (de mer)

TRAITEMENT POUR UNJECTION (filtration, désaération)

ATMOSPHÈRE

ATMOSPHÈRE EAUX TRAITÉES (de mer)

CONDUITES AUX PUITS D'INJECTION

SOLS EAUX (DE MER)

GISEMENT

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SOLS

D MAC 3001 A

PUITS D'INJECTION

7

C 7 -2/B

3 - RAFFINAGE DU PÉTROLE (séparation)

STOCKAGE

PÉTROLE BRUT, EAU (CI—, H2S, ...)

DESSALEURS

ATMOSPHÈRE

FUMÉES

FRACTIONS PÉTROLIÈRES LÉGÈRES (eau, HCI, H2S)

DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE

FRACTIONS PÉTROLIÈRES LOURDES (H2S, acides naphténiques)

DISTILLATION SOUS VIDE

SÉPARATION DES GAZ

STOCKAGE, TRANSFORMATION

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CONDENSATIONS (réfractaires)

ATMOSPHÈRE (calorifuges)

ATMOSPHÈRE (friforifuges)

D MAC 3002 A

FOURS

8

C 7 -2/B

4 - RAFFINAGE DU PÉTROLE (conversion)

SÉPARATION, STOCKAGE

HYDROCARBURES + H2 + H2S

HYDROTRAITEMENTS HYDRODÉSULFURATION

HYDROCARBURES + H2 (HCI) REFORMAGE CATALYTIQUE HYDROCARBURES + CATALYSEUR (abrasion)

EAUX (CI—, H2S, NH3, CN—)

ATMOSPHÈRE HAUTE TEMPÉRATURE (calorifuges)

FCC

NaOH

ALKYLATION

STOCKAGE

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D MAC 3003 A

HF ou H2SO4

9

C 7 -2/B

5 - UTILITÉS

AIR EAU DE MER EAU DOUCE EN SYSTÈME OUVERT

RÉFRIGÉRATION

EFFLUENTS REFROIDIS

EAU DOUCE TRAITÉE EN CIRCUIT SEMI—OUVERT EAU DOUCE TRAITÉE EN CIRCUIT FERMÉ

ATMOSPHÈRE

SÉCURITÉ INCENDIE

ATMOSPHÈRE SOLS

EAU DE MER EAU DOUCE

EAU DOUCE TRAITÉE

CHAUDIÈRES

FUMÉES

EAUX CONTENANT CI—, H2S, NH3, CN—,5 CN—

STRIPPING ET REJET DES EAUX

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ATMOSPHÈRE

D MAC 3004 A

CONDENSATIONS (Réfractaires)

10

C 7 -2/B

6 - STOCKAGE ET TRANSPORT DES LIQUIDES

CENTRES DE TRAITEMENTS

RÉSERVOIRS DE STOCKAGE DE PÉTROLE BRUT

PÉTROLE BRUT COMMERCIAL (eau salée)

PIPELINES

TANKERS

ATMOSPHÈRE SOLS (fond)

ATMOSPHÈRE EAU DE MER FOND MARIN

RÉSERVOIRS DE STOCKAGE DE PÉTROLE BRUT

SOL

RAFFINAGE

GPL RÉSERVOIRS DE PRODUITS INTERMÉDIAIRES ET FINIS

ATMOSPHÈRE SOLS (fond)

PIPELINES

CAMIONS TRAINS

DISTRIBUTION

02354_A_F

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D MAC 3005 A

HYDROCARBURES LIQUIDES (traces d'eau)

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE APPAREILS À PRESSION RÉGLEMENTATION EUROPÉENNE ET FRANÇAISE DES ÉQUIPEMENTS SOUS PRESSION (ESP)

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C7

-3/A

I - SÉLECTION DES ESP VISÉS PAR LE DM 13 décembre 1999 - Titre I - Art. 2 ...................... 2 II - PRESCRIPTIONS PRINCIPALES DE FABRICATION DES ESP VISÉES PAR LE DM 13 décembre 1999......................................................................................................... 2 1 2 3 4 5

-

Parmi les ESP visés par le DM 13/12/99 - Art. 2 - sélection des ESP visés par l'AM 15 mars 2000 .......................................................................................................................2 Classement des ESP en catégories de sûreté et d'approfondissement des contrôles ................ 3 Règles de fabrication ...................................................................................................................5 Évaluation et déclaration de la conformité aux exigences essentielles........................................ 8 Organismes habilités.................................................................................................................... 9

III - PRESCRIPTIONS PRINCIPALES DE SUIVI EN SERVICE DES ESP VISÉES PAR L'ARRÊTÉ DU 15 MARS 2000 ................................................................................................ 10 1 2 3 4 5 6

-

Parmi les ESP visés par le DM 13/12/99 - Art. 2 - sélection des ESP visés par l'AM 15 mars 2000 Art. 2, 3 et 41.............................................................................................. 10 Conditions d'installation et d'exploitation.................................................................................... 11 Conditions de mise en service de certains ESP ........................................................................11 Inspections périodiques (Titre III, art. 10 à 14) - AM 15/3/2000 ................................................. 12 Requalifications périodiques ...................................................................................................... 12 Interventions (Titre 6, art. 28 à 31) - AM 15/3/2000 (réparations ou modifications) ................... 13

MX EIR - 02478_B_F - Rév. 1

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08/07/2005

02478_B_F

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ESP < ou = limites sélection => Règles de l'art

Surveillance et Évaluation de la Conformité par ORGANISME HABILITÉ (NOTIFIÉ) Déclaration de conformité et Marquage CE par le FABRICANT

Annexe 1 : Conception, Fabrication, Contrôles

ESP Catégorie : I II III IV

Sélection des ESP VISÉS (fonction : fluide Gr. 1 ou Gr. 2 et conditions de service)

FABRICATION DES ESP

ESP VISÉS : PS > 0,5 bar, Gaz, Vapeur, Liquide sauf exceptions

(Copie de la Directive Européenne des ESP)

Supervision par la DRIRE

– Inspection & Requalification priodiques – Interventions : réparations ou modifications

Conditions de mise en service dont sélection des ESP VISÉS par la déclaration et (éventuellement) les contrôles de mise en service

Sélection des ESP VISÉS (Liquides exclus)

EXPLOITATION DES ESP

ARRÊTÉ du 15/03/00 + DM-T/P 31555 :

Objectifs relatifs à l'EXPLOITATION des ESP

DÉCRET DU 13/12/99

Réglementation française des Équipements Sous Pression

1

C 7 -3/A

D GEN 1086 B

2

I -

C 7 -3/A

SÉLECTION DES ESP VISÉS PAR LE DM 13 décembre 1999 - Titre I - Art. 2 dits “DESP” Sont soumis les ESP et les ensembles dont : PS > 0,5 bar de gaz, de vapeur, de liquides sauf exceptions

II - PRESCRIPTIONS PRINCIPALES DE FABRICATION DES ESP VISÉES PAR LE DM 13 décembre 1999 - Titres I et II dits “DESP”) 1-

PARMI LES ESP VISÉS PAR LE DM 13/12/99 - Art. 2 (Voir IV, p. 8) SÉLECTION DES ESP VISÉS PAR LA “DESP” PV = pression de vapeur

ESP

FLUIDE

GROUPE DE FLUIDE 1

Gaz, gaz liquéfiés, gaz dissous sous pression, vapeurs, liquides dont PV à TS > Patm + 0,5 bar RÉCIPIENTS

(PV = pression de vapeur absolue)

2

V > 1 l et PS x V > 50 bar x l PS > 1000 bar extincteurs portables et bouteilles appareils respiratoires

LEURS ACCESSOIRES

1

DE SÉCURITÉ

PRESSION

V > 1 l et PS x V > 25 bar . l PS > 200 bar

ET

ET SOUS

CONDITIONS DE SERVICE

Liquides dont PV à TS ≤ Patm + 0,5 bar (PV = pression de vapeur absolue)

V > 1 l et PS x V > 200 bar x l PS > 500 bar

2

PS > 10 bar et PS x V > 10000 bar x l PS > 1000 bar

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3

ESP

FLUIDE

TUYAUTERIES

Gaz, gaz liquéfiés, gaz dissous sous pression, vapeurs, liquides dont PV à TS > Patm + 0,5 bar

ET

C 7 -3/A GROUPE DE FLUIDE 1

DN > 25

2

DN > 32 et PS x DN > 1000 bar

1

DN > 25 et PS x DN > 2000 bar

2

PS > 10 bar et DN > 200 et PS x DN > 5000 bar

(PV = pression de vapeur absolue)

LEURS ACCESSOIRES DE SÉCURITÉ ET

Liquides dont PV à TS ≤ P atm + 0,5 bar

SOUS PRESSION(1)

(PV = pression de vapeur absolue)

ESP

FLUIDE

ESP : SOUMIS À L'ACTION DE LA FLAMME OU À UN APPORT CALORIFIQUE (RISQUE SURCHAUFFE) ET AUTOCUISEURS ET LEURS ACCESSOIRES DE SÉCURITÉ ET SOUS PRESSION

Vapeur d'eau, eau surchauffée à

ENSEMBLES d’au moins 1 ESP (ci-dessus)

Vapeur d’eau Eau surchauffée T > 110°C Eau chaude ≤ 110°C

CONDITIONS DE SERVICE

GROUPE DE FLUIDE(2)

CONDITIONS DE SERVICE

2

V >2 l

2

Voir art. 4

T > 110°C

ENSEMBLES d'autres ESP fournis comme ensembles

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Voir art. 4

4

C 7 -3/A

GROUPE 1 : Fluides considérés comme dangereux au sens de l'article R. 231-51 du code du travail, Section 5 Prévention du risque chimique - Décret 92-1261 du 3 décembre 1992, Sous-section 1. Principes de classement des substances et préparations dangereuses, modifié par décret 94-181 du 1er mars 1994 : -

explosibles comburants extrêmement inflammables facilement inflammables inflammables très toxiques toxiques

GROUPE 2 : Comprend tous les autres fluides qui ne sont pas mentionnés au § a) ci-dessus.

2-

CLASSEMENT DES ESP EN CATÉGORIES DE SÛRETÉ ET D'APPROFONDISSEMENT DES CONTRÔLES (Art. 8 et AM 21 décembre 1999) Exemples : -

accessoires de sécurité : CATÉGORIE IV

-

récipients de fluide gazeux groupe 1

10000 PS = 1000

1000

PS (bar)

PS = 200

100 50

IV

V=1

PS . V = 1000 III

25 10 Art. 7 du décret

PS . V = 200 II I

1 0,5

D SEC 1052 A

PS . V = 50 PS = 0.5

PS . V = 25

0,1

1

10

100

1000

V(L)

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10000

5

3-

C 7 -3/A

RÈGLES DE FABRICATION (ANNEXE 1 - DM 13 décembre 1999) Exemples de points essentiels : -

conception • • •

risques charges méthode de calcul (pt 2;23) Les méthodes de calcul doivent procurer des marges de sécurité suffisantes. Les contraintes admissibles (pt. 7.4) doivent être déterminées de la façon suivante : La contrainte ≤ à la plus petite des valeurs suivantes, par exemple : •

l'acier ferritique, y compris l'acier normalisé (acier laminé) et à l'exclusion des aciers à grain fin et des aciers qui ont subi un traitement thermique spécial, 2/3 de Re/t et 5/12 de Rm/20

•

l'acier austénitique *

si son allongement après rupture est supérieur à 30 %, 2/3 de Re/t

*

ou, alternativement, et si son allongement après rupture est supérieur à 35 %, 5/6 de Re/t et 1/3 de Rm/t

Les matériaux destinés aux parties sous pression doivent par exemple : • • • • • • • •

avoir des caractéristiques appropriées acier : A % ≥ 4 % ; kV ≥ 27 Joules avoir une résistance chimique suffisante ne pas être significativement sensibles au vieillissement convenir aux méthodes de transformation prévues

températures pression de calcul ≥ PS coefficient de joint → étendue des CND : 1 → CND 100 % 0,85 → CND par sondage 0,7 → pas de CND

•

méthode expérimentale de conception

•

corrosion et autres attaques chimiques, usure : au besoin, une surépaisseur ou une protection appropriée

•

ouvertures

•

régulations : selon le cas, des dispositifs de contrôle appropriés sont à prévoir pour maintenir l'équipement sous pression à l'intérieur des limites admissibles.

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6

•

accessoires de sécurité *

-

C 7 -3/A

en règle générale ils doivent : être conçus et construits de façon à être fiables et adaptés ; être indépendants des autres fonctions ; suivre les principes de conception appropriés

•

dispositifs de limitation de la pression : surpression ≤ 10 % PS

•

dispositifs de surveillance de la température : temps de réaction adéquat

•

feu extérieur

fabrication •

spécifications de référence des matériaux : normes harmonisées, approbation européenne de matériaux, évaluation particulière des matériaux

•

parties principales sous pression des équipements des catégories II, III et IV : certificat avec contrôle spécifique sur produit

•

découpage, soudage

•

QMO d'assemblages permanents et Qualification d'Opérateurs : personnel qualifié, modes opératoires qualifiés, ESP catégories II, III et IV, qualification par organisme habilité

•

contrôles non destructifs

•

*

étendue des contrôles (voir coefficient de joint) : personnel qualifié, ESP catégories III et IV, personnel approuvé par un organisme habilité.

*

assemblages permanents : exempts de défauts de surface ou internes préjudiciables à la sécurité des équipements.

traitement thermique approprié Lorsqu'il existe un risque que le processus de fabrication modifie les propriétés du matériau dans une mesure qui compromettrait l'intégrité de l'équipement sous pression, un traitement thermique adapté doit être appliqué à l'étape appropriée de la fabrication.

•

traçabilité pour l’identification des matériaux

•

examen final : contrôle des documents, examen final à l'intérieur et à l'extérieur de toutes les parties de l'équipement.

•

épreuve : pression d'épreuve hydrostatique doit être au moins égale à la plus élevée des valeurs suivantes : PS x

fEH x 1,25 f TS

PS × 1,43

D'autres essais d'une valeur reconnue peuvent être réalisés. •

examen des dispositifs de sécurité

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7

•

C 7 -3/A

marquage et étiquetage *

pour tous les équipements sous pression : les nom et adresse, l'année de fabrication, le numéro de fabrication, les limites essentielles maximales/minimales admissibles

*

selon le type de l'équipement sous pression, des informations complémentaires nécessaires à la sécurité de l'installation, du fonctionnement ou de l'utilisation et, le cas échéant, de l'entretien et du contrôle périodique.

*

le cas échéant, des avertissements apposés sur les équipements sous pression, qui attirent l'attention sur les erreurs d'utilisation mises en évidence par l'expérience.

Le marquage “CE” + N° d'identification de l'organisme habilité si requis par le module d'évaluation •

instructions de service Notice d'instructions destinée à l'utilisateur contenant toutes les informations utiles à la sécurité en ce qui concerne : * * * *

-

le montage, y compris l'assemblage de différents équipements sous pression la mise en service l'utilisation la maintenance, y compris les contrôles par l'utilisateur

ESP catégorie “Art. 7 du décret” (faibles risques) : inférieurs à la catégorie I → règles de l’art

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8

C 7 -3/A

4 - ÉVALUATION ET DÉCLARATION DE LA CONFORMITÉ AUX EXIGENCES ESSENTIELLES - (Art. 9 - DM 13 décembre 1999 ; Titre II de l'AM 21 décembre 1999 et annexe 2 DM 13 décembre 1999) – Organismes habilités notifiés – Procédures d'évaluation de la conformité

SANS AQ Série

AVEC AQ Unité

Cat. I

Série

Unité

A

Cat. II

A1

D1 ou E1

Cat. III

B + C1

B1 + F

B + E ou B1 + D ou H

H ou B1 + D

Cat. IV

B+F

G

B + D ou H1

H1

AQ : Assurance Qualité Le fabricant reste libre du choix du module à appliquer parmi ceux correspondants à la catégorie de risque de l'équipement ou à une catégorie supérieure. – Exemples de modules d'évaluation de la conformité Module A :

Contrôle interne de la fabrication Le fabricant déclare la conformité de l'équipement et tient un dossier justificatif à disposition. Aucune intervention d'un organisme habilité. Marquage CE par le fabricant

Module G :

Vérification CE à l'unité L'organisme habilité contrôle individuellement la conformité de chaque équipement, aussi bien en ce qui concerne sa conception que sa fabrication. Il établit une attestation de conformité. Marquage CE + n° organisme habilité par le fabricant.

Module H :

Assurance qualité complète (conception, fabrication, inspection finale et essais) Le fabricant met en place un système d’assurance complète de qualité. L’organisme habilité évolue et agrée le système d’assurance qualité et en surveille la bonne application par des audits périodiques et des visites à l’improviste. L’organisme habilité peut, si nécessaire, effectuer ou faire effectuer des essais. Il fournit alors un rapport de visite et d’essai. Marquage CE + n° organisme habilité par le fabricant.

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9

5-

C 7 -3/A

ORGANISMES HABILITÉS (TITRE IV - DM 13 décembre 1999) – Procédures d'évaluation de la conformité, approbation européenne de matériaux, approbation de modes opératoires d'assemblages permanents, approbation du personnel en charge des assemblages permanents : ASAP (Association pour la Sécurité des appareils à pression) - Bureau Veritas SA - GAPAVE (Groupement des APAVE), jusqu'au 30/06/05 → (AM 28/12/04 - JO 12/01/05) – Approbation européenne de matériaux : CETIM (Centre Technique des Industrie Mécaniques), jusqu'au 31/12/07 → (AM 28/12/04 - JO 12/01/05) – Approbation du personnel en charge des essais non destructifs des assemblages permanents : COFREND (Confédération française des essais non destructifs), jusqu'au 31/12/07 → (AM 28/12/04 - JO 12/01/05) CEOS (Centre d'Expertise Opérationnelle et de Service de GDF).

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10

C 7 -3/A

III - PRESCRIPTIONS PRINCIPALES DE SUIVI EN SERVICE DES ESP VISÉES PAR L'ARRÊTÉ DU 15 MARS 2000 (TITRE III - Art. 17-18-19-20 DM 13 décembre 1999 et AM 15 mars 2000) Les dispositions du présent arrêté remplacent, à compter de leurs dates d'entrée en application, celles de SUIVI EN SERVICE prévues par les décrets du 2 avril 1926 et 18 janvier 1943 susvisés et les textes pris pour leur application. Les aménagements aux dispositions réglementaires (DM 2/4/26 et 18/1/43) restent valables.

1-

PARMI LES ESP VISÉS PAR LE DM 13/12/99 - Art. 2 (voir IV, p. 8), SÉLECTION DES ESP VISÉS PAR L'AM 15 MARS 2000 - Art. 2, 3 et 4

Équipement Récipients(1) (2)

Fluide Gaz

Groupe de fluide 1

Conditions de service PS x V > 50 bar . l sauf : V ≤ 1 l et PS ≤ 200 bar

Gaz (autre que la vapeur d’eau ou l’eau surchauffée)

2

PS x V > 200 bar . l sauf : V ≤ 1 l et PS ≤ 1000 bar sauf : Ps ≤ 4 bar sauf récipients à couvercle amovible à fermeture rapide PS ≤ 2,5 bar

Récipients(1) (2)

Vapeur d'eau ou eau surchauffée

2

PS x V > 200 bar . l (sauf : V ≤ 1 l)

Générateurs(1)

Vapeur d'eau

2

V > 25 l

Tuyauterie (1)

Gaz

1

DN > 100 ou PS x DN > 1000 bar (sauf : DN ≤ 25)

Gaz ou vapeur d'eau ou eau surchauffée

2

DN > 100 et PS x DN > 3500 bar

(1) Et leurs accessoires sous pression et de sécurité

Sont exclus : -

les récipients à pression simples les équipements pour les applications nucléaires les canalisations de transport d’eau surchauffées (T ≥ 120°C) ou de vapeur d’eau

(2) “Fixes” : non déplacés durant le cours normal de leur service. Les autres sont “mobiles”.

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11

2-

C 7 -3/A

CONDITIONS D'INSTALLATION ET D'EXPLOITATION - (Titre II, art. 6 à 9 AM 15 mars 2000) Exemples de points essentiels : -

ESP conformes à la DESP et d’autres prescriptions particulières

-

personnel chargé de la conduite d’ESP (art. 8 de l’AM 15/03/00) :

-

•

informé et compétent

•

reconnu apte par leur exploitant et périodiquement confirmé pour ceux qui conduisent les ESP soumis à déclaration de mise en service (art. 15 § 1 AM 15/03/00)

informations sur les ESP (art. 9 AM 15/03/00) : • •

3-

dossier descriptif dossier d’exploitation

CONDITIONS DE MISE EN SERVICE DE CERTAINS ESP a - Sont soumis à la DÉCLARATION DE MISE EN SERVICE - (Titre IV, Art. 15 à 19 de l'AM du 15/3/2000) ESP

Fluide

Récipients Gaz, vapeur d’eau, eau surchauffée Appareils à couvercle amovible à fermeture rapide

PS > 4 bar et PS x V > 10 000 bar . l

Tous ceux visés par l’arrêté en tant que récipients

Tuyauteries

Gaz Groupe 1

Gaz Groupe 2

Générateurs de vapeur

Conditions de service

Vapeur d’eau

PS > 4 bar et DN > 350 ou PS > 4 bar et PS x DN > 3500 bar (sauf DN ≤ 100) DN > 250 (sauf PS x DN ≤ 5000 bar) PS > 32 bar ou V > 2400 l ou PS x V > 6000 bar.l

b - Sont soumis au CONTRÔLE DE MISE EN SERVICE (Art. 16 de l'AM du 15/3/2000) Les générateurs de vapeur et les appareils à couvercle amovible à fermeture rapide.

02478_B_F

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12

4-

C 7 -3/A

INSPECTIONS PÉRIODIQUES - (Titre III, art. 10 à 14) - AM 15/3/2000 – Sous la responsabilité de l'exploitant et réalisées par une personne compétente apte à reconnaître les défauts susceptibles d'être rencontrés et à en apprécier la gravité. – Les intervalles maximaux séparant deux inspections périodiques sont fixés de 12 à 40 mois suivant les cas : aussi souvent que nécessaire pour les tuyauteries. Dans le cas où l'exploitant dispose d'un Service Inspection Reconnu (SIR), celui-ci peut fixer la nature et la périodicité des inspections périodiques dans ses plans d'inspection. – Contenu de l’inspection périodique : -

5-

une vérification extérieure une vérification des accessoires de sécurité une vérification intérieure pour tous les récipients et les générateurs de vapeur

REQUALIFICATIONS PÉRIODIQUES • ESP concernés Récipients et les générateurs de vapeur visés par cet arrêté ainsi que les tuyauteries soumises à déclarations de mise en service (Art. 20). La requalification est réalisée par un “expert” d’un organisme habilité ou d’un SIR. L’intervalle maximal entre deux requalifications est de 2 à 10 ans suivant les cas. La nature et la périodicité des requalifications peuvent être différentes de celles fixées par l'arrêté dans la mesure où l'équipement est surveillé par un Service Inspection Reconnu et que ces modifications figurent dans un plan d'inspection. • En quoi consiste la requalification ? -

inspection de l'équipement sous pression

-

épreuve hydraulique (art. 25), sauf : •

les ESP “néosoumis”

•

les tuyauteries et leurs accessoires de sécurité et sous pression

•

les récipients non de vapeur d’eau dont PS ≤ 4 bar

•

l'épreuve hydraulique peut être remplacée après avis de la commission centrale des appareils à pression (CCAP), par un autre essai de résistance

•

vérification des accessoires de sécurité associés dont retarage des soupapes si PS . V > 3000 bar.l

02478_B_F

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13

6-

C 7 -3/A

INTERVENTIONS (Titre 6, art. 28 à 31) - AM 15/3/2000 (réparations ou modifications) a-

Intervention notable – L'exploitant (maintenance) ou l'entreprise sous-traitante applique : •

si ESP ancien : la réglementation ancienne ou l'annexe 1 du DM 13/12/99 dit “DESP”

•

si ESP marqué CE : l’annexe 1 du DM 13/12/99 dit “DESP” (*)

(*) Prescriptions de conception, fabrication contrôles – Après l'intervention le contrôle est effectué par un expert d’un organisme habilité ou d’un SIR autorisé à cet effet. b-

Intervention (réparation ou modification) non notable (voir guide professionnel ou accord DRIRE) - Pas d’expert désigné par la DRIRE – L'exploitant (maintenance) ou l'entreprise sous-traitante applique : •

si ESP ancien : la réglementation ancienne ou l'annexe 1 du DM 13/12/99 dit “DESP” (*)

•

si ESP marqué CE : l’annexe 1 du DM 13/12/99 dit “DESP” (*)

(*) Prescriptions de conception, fabrication, contrôles – L'exploitant (personne compétente désignée) fait la vérification finale

02478_B_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

MATÉRIAUX MÉTALLIQUES - CORROSION INDUSTRIELLE APPAREILS À PRESSION DÉTERMINATION D'UN ÉQUIPEMENT SOUS PRESSION INTÉRIEURE SELON CODAP

C7

-3/B

I - CALCUL À LA PRESSION INTÉRIEURE SELON LE CODAP ................................................. 3 II - DÉTERMINATION DE LA PRESSION D’ESSAI DE RÉSISTANCE ......................................... 7 III - CONTRAINTE APPLIQUÉE SUR LES DIVERS ÉLÉMENTS DE L’ENVIROLAGE LORS DE L’ESSAI DE RÉSISTANCE ...................................................................................... 8

BE MCH - 00524_B_F - Rév. 1

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19/07/2005

C 7 -3/B

1

ORGANIGRAMME D’UNE NOTE DE CALCUL D’APPAREIL CHAUDRONNÉ

Détermination de l'épaisseur théorique Pc ; σT ⇒ et

Majoration pour corrosion et ; CORR ⇒ ef

Diagramme des pressions d'épreuves réelles PE

Détermination de la pression d'épreuve théorique ef ; X fois σ 20°C* ⇒ PEt

Détermination de la contrainte lors de l'épreuve PE ; ef ⇒ σépreuve

Vérification de la contrainte lors de l'épreuve σépreuve ≤ 0,90* σen ou 0,95* σen

oui

Détermination des poids (vide-Service-Éssai)

Détermination de l'épaisseur pour l'épreuve 0,90* σen ou ; PE ⇒ e'f 0,95* σen

Détermination de l'action du vent

Détermination de la jupe

Détermination du diamètre des boulons d'ancrage

Choix du nombre de boulons d'ancrage et des chaises

Modification des poids en fonction de la jupe

Récapitulatif final

Selon le code de construction 00524_B_F

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D CONS 1096 A

non

C 7 -3/B

2

CALCUL ÉPAISSEUR COLONNE DE STABILISATION RV

T

E

400

H5

16850

H4

Déterminer ∅ 1500

— Les épaisseurs de la colonne — La pression d'épreuve (appareil vertical)

12770 A

spécifications

25150

3000

12 11 10

900

9 8850 H2

8

12450

7 6

4800

2 750

1

400 °C

∅ 2500

4 3

TW

4600

PI

3200

K2

HF 2550

1650

500

F

750 400

1300

L1A

Boulons ∅ mm

300 200 N REF 0.00

LL 300

200

H1

2340

800

1000

L1B

L1C

L.T.

L2B

120 450

LR

LR

L2A

1050

1650

4200

L1D

Nota : épaisseurs des tôles disponibles de mm en mm

K1

4000

4200

5

— Code CODAP — Pression de service = 1 MPa — Température de service, suivant zone thermique — Coefficient de soudure = 0,85 — Corrosion = 3 mm — Fonds = elliptiques soudés de rapport 1,9/1 — Matériaux = envirolage P 265 GH (ex A 42 FP)

∅ implantation x

x

00524_B_F

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D MEQ 2151 B

14 13

360 °C

2250 900 1400

2700

21 20 19 18 17 16 15 1111

13000

H3

19850 27 26 25 24 23 22

1100

19700

R

100

900

L.T.

6900

700

400

C 7 -3/B

3

I-

CALCUL À LA PRESSION INTÉRIEURE SELON LE CODAP (contrainte nominale f1) a - Détermination de la pression de calcul ⇒

Pression de calcul

Pserv. + 10 %

Pcal. = 10 + 1 = 11 bar = 1,1 MPa

b - Détermination des contraintes admissibles ⇒

• En service

Matériaux P 265 GH

f de calcul t

- à 400°C R 0,002 = 130 N/mm2 R = 410 à 430 N/mm2

Selon NF EN 10028-2

Rt   0,002 , R  mini  2,4  1,5 ⇒

130 1,5

= 86,6 N/mm2

⇒

410 2,4

= 170,8 N/mm2

f calcul = 86,6 N/mm2 t

- à 360°C R 0,002 = 138 N/mm2 R = 410 à 530 N/mm2

⇒

138 1,5

= 92 N/mm2

⇒

410 2,4

= 170,8 N/mm2

f calcul = 92 N/mm2 - à 20°C

265 t si e < 16 mm ⇒ R0,002 = 265 N/mm2 ⇒ = 176,6 N/mm2 1,5 255 t si 16 mm ≤ e < 40 mm ⇒ R0,002 = 255 N/mm2 ⇒ = 170 N/mm2 1,5 R = 410 à 530 N/mm2

• En épreuve

410 2,4

⇒

= 170,8 N/mm2

➚ si e < 16 mm ⇒ σmax = 0,95 . 265 = 251,7 N/mm2 σ max = 0,95 σ en ➘ si 16 mm ≤ e < 40 mm ⇒ σ max = 0,95 . 255 = 242,2 N/mm2

c - Détermination des épaisseurs des divers éléments de l’envirolage • Épaisseur virole I (∅ 1500)

P . Di e = 2 fz – P

e =

1,1 . 1500 1650 1650 = = (2 . 92 . 0,85) – 1,1 156,4 – 1,1 155,3

e = 10,6 mm + 3 mm = 13,6 mm e1 = 14 mm

00524_B_F

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C 7 -3/B

4

• Épaisseur virole II (∅ 1500)

e =

P . Di 2 fz – P

e =

1,1 . 2500 2750 2750 = = (2 . 86,6 . 0,85) – 1,1 147,2 – 1,1 146,1

e = 18,8 mm + 3 mm = 21,8 mm e2 = 22 mm • Épaisseur virole conique L’épaisseur du tronc de cône est définie par le plus grand diamètre intérieur, ici Di = 2500 mm.

P . Di 1 . e = 2 fz – P cos α

Valeur de l’angle α Différence des rayons

∅ 1500

tf α =

α

500 = 0,4545 ⇒ α = 24,44° 1100

1100

d’où cos 24,44° = 0,910

D CONS 1095 A

e = ∅ 2500

2500 – 1500 = 500 2

=

1 2750 1 1,1 . 2500 x = x (2 . 92 x 0,85) – 1,1 0,91 156,4 – 1,1 0,91 2750 1 1 x = 17,7 x 155,3 0,91 0,91

e = 19,4 mm + 3 mm = 22,4 mm e1 = 25 mm

• Épaisseur du fond supérieur (∅ 1500) Ce type de fond est assimilé à un fond torisphérique équivalent, qui pour valeur de rayon de calotte sphérique est égal à : R = 0,856 . 1500 = 1284 mm et pour valeur de rayon de la carre égale à : r = 0,183 . 1500 = 274,5 mm

00524_B_F

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C 7 -3/B

5

e = Max [(es) , (e y) , (e b )] -

es =

PR 2 fz – 0,5 P

es =

1,1 . 1284 1412,4 1412,4 = = (2 . 92 . 0,85) – (0,5 . 1,1) 156,4 – 0,55 155,85

es = 9,06 mm -

ey = β (0,75 R + 0,2 Di)

P f

Valeur de β selon abaque



• le terme  0,75 + 0,2 • le terme

Di P 1500 1,1  a pour valeur  0,75 + 0,2 = 0,0117 1284 92 R f

r 274,5 a pour valeur = 0,183 Di 1500

Valeur lue sur abaque de β = 0,5 ey = 0,5 [(0,75 . 1284) + (0,2 . 1500)]

1,1 = 7,5 mm 92

• la valeur de ey = 1500 . 0,005 = 7,5 mm, il faut également vérifier la relation : D i 0,55  P0,667 eb = 0,0433 (0,75 R + 0,2 Di)   f  r 1500 0,55  1,1 0,667 eb = 0,0433 [(0,75 . 1284) + (0,2 . 1500)]   92  274,5  eb = 0,0433 [ 963 + 300] . 5,460,55 . 0,01190,667 = 0,0433 . 1263 . 2,54 . 0,052 = 0,37 mm épaisseur du fond ∅ 1500 e = 9,06 mm + 3 mm = 12,06 mm e = 13 mm • Épaisseur du fond inférieur (∅ 2500) Ce type de fond est assimilé à un fond torisphérique équivalent, qui pour valeur de rayon de calotte sphérique est égal à : R = 0,856 . 2500 = 2140 mm et pour valeur de rayon de la came égale à : r = 0,183 . 2500 = 457,5 mm

00524_B_F

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C 7 -3/B

6

e = Max [(es) , (e y) , (e b )] -

es =

PR 2 fz – 0,5 P

es =

1,1 . 2140 2354 2354 = = (2 . 86,6 . 0,85) – (0,5 . 1,1) 147,2 – 0,55 146,6

es = 16,05 mm -

ey = β (0,75 R + 0,2 Di)

P f

Valeur de β selon abaque



• le terme  0,75 + 0,2 • le terme

Di P 2500 1,1  a pour valeur  0,75 + 0,2 = 0,0124 2140 86,6 R f

r 457,5 a pour valeur = 0,183 Di 2500

Valeur lue sur abaque de β = 0,5 ey = 0,5 [(0,75 . 2140) + (0,2 . 2500)]

1,1 = 13,3 mm 86,6

La valeur e y > 2500 . 0,005 = 12,5, il ne faut pas vérifier avec la valeur de eb. épaisseur fond ∅ 2500

e = 16,05 + 3 = 19,05 mm e = 20 mm

00524_B_F

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C 7 -3/B

7

II -

DÉTERMINATION DE LA PRESSION D’ESSAI DE RÉSISTANCE a - Pression d’essai de résistance théorique La pression de l’essai de résistance doit être égale à la plus élevée des valeurs suivantes : -

Pessai = 1,43 Ps

-

fE Pessai = 1,25 Ps . ft

Pessai = 1,43 . 1,1 = 1,57 MPa

• Pour la zone de température 400°C Pessai400 = 1,25 . 1,1 .

170 = 2,69 MPa 86,6

• Pour la zone de température 360°C Pessai360 = 1,25 . 1,1 .

170 = 2,54 MPa 92

6900

389

b - Diagramme de pression d’essai de résistance pratique 2,69 MPa 2,694 MPa

Pep = 2,54 MPa 2,763 MPa 2,774 MPa

1100

D CONS 1093 A

Pep = 2,69 MPa

2,90 MPa 2,905 MPa

0,215 MPa

653

12450

21492 20450

0,084 MPa

Pression d'épreuve théorique

Charge hydrostatique

Pression d'épreuve pratique

00524_B_F

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8

C 7 -3/B

III - CONTRAINTE APPLIQUÉE SUR LES DIVERS ÉLÉMENTS DE L’ENVIROLAGE LORS DE L’ESSAI DE RÉSISTANCE Dans une situation d’essai de résistance, la valeur du coefficient de soudure à appliquer est égale à z = 1. • Viroles cylindriques e =

P . Di 2 fz – P

⇒

2 e fz – P e = P Di 2 e fz = P Di + Pe f =

P Di + Pe 2ez

• Pour la virole de ∅ 1500 - Épaisseur = 14 mm - Pessai = 2,763 MPa f essai =

(2,763 . 1500) + (2,763 . 14) 4144,5 + 38,68 4183,18 = = 2 . 14 . 1 28 28 f essai = 149 N/mm2 < σmax = 251 N/mm2

• Pour la virole de ∅ 2500 - Épaisseur = 22 mm - Pessai = 2,90 MPa f essai =

(2,90 . 2500) + (2,90 . 22) 7250 + 63,8 7313,8 = = 2 . 22 . 1 44 44 f essai = 166 N/mm2 < σmax = 251 N/mm2

• Pour la virole tronconique e =

P . Di 1 . 2 fz – P cos α

⇒

2 e fz cos α – Pe cos α = P Di 2 e fz cos α = P Di + Pe cos α

f =

P Di + Pe cos α 2 ez cos α

• Tronc de cône = ∅ 2500 - Épaisseur = 25 mm - Pessai = 2,774 MPa - cos α = 0,91 f essai =

(2,774 . 2500) + (2,774 . 25 . 0,91) 6935 + 63,1 6998,1 = = 2 . 22 . 1 . 0,91 40 40 f essai = 174 MPa < σmax = 251 N/mm2

00524_B_F

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9

• Fond elliptique es =

PR 2 fz – 0,5 P

⇒

2 e fz – 0,5 Pes = PR 2 e fz = P R + 0,5 Pe

f =

P R + 0,5 Pe 2ez

• Pour le fond de ∅ 1500 - Épaisseur = 13 mm - Pessai = 2,69 MPa - R = 1284 mm f essai =

(2,69 . 1284) + (0,5 . 2,69 . 13) 3453,9 + 17,48 3471,4 = = 2 . 13 . 1 26 26 f essai = 133 MPa < σmax = 251 N/mm2

• Pour le fond de ∅ 2500 - Épaisseur = 20 mm - Pessai = 2,905 MPa - R = 2140 mm f essai =

(2,905 . 2140) + (0,5 . 2,905 . 22) 6216,7 + 31,95 6248,65 = = 2 . 22 . 1 44 44 f essai = 142 MPa < σmax = 251 N/mm2

00524_B_F

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C 7 -3/B

00524_B_F

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1.0425

1.0481

P265GH

P295GH

D MAC 1508 A

1.0345

Désignation numérique

P235GH

Désignation symbolique

Nuance d'acier

N 3)

N 3)

N 3)

État normal de livraison 1)

16 40 60 100 150

16 40 60 100 150

16 40 60 100 150

de >

16 40 60 100 150

16 40 60 100 150

16 40 60 100 150

à≤

Épaisseur de produit mm

235 225 215 200 185 4) 265 255 245 215 200 4) 295 290 285 260 235 4)

ReH N/mm2 min

Limite d'élasticité 2)

22

22 4) 440 à 570 4)

4)

22

460 à 580

4)

400 à 530

23 6)

4)

4)

410 à 530

24

25 5)

(Lo = 5,65 √So) A % min

350 à 480

360 à 480

Résistance à la traction Rm N/mm2

Allongement à la rupture

0

0

0

Température d'essai °C

4)

27

4)

27

4)

27

Moyenne sur 3 éprouvettes J min

Énergie de rupture par choc (éprouvette à entaille en V) KV

10

C 7 -3/B

CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES (valables pour les éprouvettes transversales)

C 7 -3/B

11

LIMITE CONVENTIONNELLE D’ÉLASTICITÉ À 0,2 % À TEMPÉRATURES ÉLEVÉES(1) Selon EN 10028-2

Nuance d’acier

Désignation symbolique P235GH

P265GH

P295GH

P355GH

16Mo3

13CrMo4-5

10CrMo9-10

11CrMo9-10

Désignation numérique

Épaisseur du produit

t

Rp0,2

à≤

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

60

206

190

180

170

150

130

120

110

—

—

60

100

191

175

165

160

140

125

115

105

—

—

100

150

176

160

155

150

130

115

110

100

—

—

60

234

215

205

195

175

155

140

130

—

—

60

100

207

195

185

175

160

145

135

125

—

—

100

150

192

180

175

165

155

135

130

120

—

—

60

272

250

235

225

205

185

170

155

—

—

60

100

249

230

220

210

195

180

165

145

—

—

100

150

226

200

200

195

185

170

155

135

—

—

60

318

290

270

255

235

215

200

180

—

—

60

100

298

270

255

240

220

200

190

165

—

—

100

150

278

250

240

230

210

195

175

155

—

—

60

—

—

—

215

200

170

160

150

145

140

60

100

—

—

—

200

185

165

155

145

140

135

100

150

—

—

—

190

175

155

145

140

135

130

60

—

—

—

230

220

205

190

180

170

165

60

100

—

—

—

225

210

195

185

175

165

160

100

150

—

—

—

210

200

185

175

170

160

155

60

—

—

—

245

230

220

210

200

190

180

60

100

—

—

—

225

220

210

195

185

175

165

100

150

—

—

—

215

205

195

185

175

165

155

100

—

—

—

—

255

235

225

215

205

195

de >

1.0345

1.0425

1.0481

1.0473

1.5415

1.7335

1.7380

1.7383

Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % min, en N/mm 2 pour une température en °C de

(1) Les valeurs de limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % figurant dans ce tableau n’ont pas été calculées par les méthodes de dérivation indiquées dans la norme ISO 2605-1. 00524_B_F

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Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques

RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX APPLIQUÉE STRUCTURES MÉTALLIQUES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

C8

I - GÉNÉRALITÉS ......................................................................................................................... 1 1 - Profilés du commerce .....................................................................................................................1 2 - Normes ...........................................................................................................................................3 3 - Principaux types de construction .................................................................................................... 3

II - TECHNOLOGIE DES ASSEMBLAGES .................................................................................... 5 1 2 3 4

-

Généralités .....................................................................................................................................5 Étude du type de liaison articulée...................................................................................................8 Étude du type de liaison encastrée...............................................................................................11 Stabilité des différents types de construction ............................................................................... 16

III - RACCORDEMENT DES CONTREVENTEMENTS AUX POUTRES ET AUX POTEAUX...... 18 1 - Profilés utilisés pour constituer les barres de contreventement ................................................... 18 2 - Conception de l'assemblage.........................................................................................................18

IV - DÉTERMINATION DU TRACÉ D'UN GOUSSET ................................................................... 20

MX DCA - 02349_A_F - Rév. 0

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11/04/2005

-1

1

I-

C 8 -1

GÉNÉRALITÉS 1-

PROFILÉS DU COMMERCE a - Matière et caractéristiques mécaniques du matériau le plus couramment utilisé • Caractéristiques mécaniques des aciers normalisés Les aciers de construction de structures métalliques sont réglementés par la norme européenne EN 10025. Dans cette norme, les aciers sont définis par leur nuance et leurs caractéristiques mécaniques. Elle définit également, pour une nuance, des classes de qualité (JR, J0, J2, G3) qui se différencient d’entre elles par leur résilience et leur soudabilité. L’acier le plus couramment utilisé en construction est la nuance S 235, il existe également des nuances S 275 et S355 d’un emploi plus rare (pour information, il faut savoir qu’il existe d’autres nuances employées dans la réalisation de structures particulières, telle que l’offshore et les grands ouvrages d’art).

Caractéristiques mécaniques

Nuances d’acier S 235

S 275

S 355

t ≤ 16 mm

235

275

355

16 < t ≤ 40 mm

225

265

345

40 < t ≤ 63 mm

215

255

335

360/570

430/580

510/680

340/470

410/560

480/630

18 %

15 %

15 %

23 %

19 %

19 %

Limite d’élasticité fy en N/mm2

Contrainte de rupture en traction f u (N/mm 2 ) t ≤ 3 mm 3 < t ≤ 100 mm Allongement minimum ε t ≤ 3 mm 3 < t ≤ 150 mm

Pour les aciers de type S 235, les valeurs des modules d’élasticité longitudinale et transversale sont égales à : E = 2,1 x 105 N/mm 2 G = 8,4 x 104 N/mm 2

02349_A_F

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2

C 8 -1

b - Types et utilisation courante

-

IPE IPE-R IPN IAP et IPEA

profil européen à ailes parallèles renforcé (hors normes) profil normal à ailes en pente à partir de 180

14%

D CONS 2018 A

• Poutres en I

- UPN profil normal ailes en pente - UAP profil à ailes parallèles, allégé

8%

D CONS 2018 B

• Poutres en U

• Poutres en H - HEA - HEB - HEM

profil à ailes parallèles allégé profil normal à ailes parallèles profil lourd à ailes parallèles

• Poutre en L cornières à ailes égales ou inégales et à coins arrondis • Monorail

• Poutre composée

D CONS 2019 A

- IPN de préférence, car ailes plus épaisses ou IPE

• Poteau

• Poteaux composés

02349_A_F

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D CONS 2020 A

- HEA ou HEB - IPN - PH pour pieux de fondation

3

• Contreventements

C 8 -1

cornières à ailes égales ou inégales

UAP • Profilés divers

D CONS 2023 A

Plaques pour platines soudées aux profilés et divers goussets.

Fer plat pour garde corps et garde pied Tube pour garde-corps

2-

NORMES La classification dimensionnelle des produits sidérurgiques fait l’objet d’une série de normes référencées auprès de l’AFNOR, les principales d’entre elles sont : -

3-

profilé IPE (80 < h < 600) – profilé IPN (80 < h < 600) – profilés HEA et HEB (100 < h < 600) –

NFA 45-205 NFA 45-209 NFA 45-201

PRINCIPAUX TYPES DE CONSTRUCTION a - Ensemble de supportage pour réseau de tuyauterie

D CONS 2024 A

• Poteau unique pour groupe de tuyauteries isolées

02349_A_F

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4

C 8 -1

D CONS 2025 A

• Poteaux avec traverse simple ou multiple constituant des portiques de travée de pipe rack

D CONS 2026 A

b - Ossature de structures métalliques

02349_A_F

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5

II -

C 8 -1

TECHNOLOGIE DES ASSEMBLAGES 1-

GÉNÉRALITÉS La conception des assemblages dans les structures peut être réalisée de plusieurs façons différentes en fonction du mode de liaison des divers éléments mis en œuvre. Il est distingué généralement des constructions dites : -

articulées encastrées ou rigides parfois semi-encastrées ou semi-rigides dont l’étude est un peu plus complexe et peu employée sur des structures basiques

a - Étude du diagramme des moments fléchissants sur une poutre articulée Soit une poutre isostatique, chargée en son milieu par une charge concentrée :

RA

N

D CONS 2021 B

A

RB B

La valeur du moment fléchissant maximum en travée est de :

l  N l  M max = +  RA x  = +  x  2 2 2 Nl M max = + 4 avec RA = RB N

l

Réaction aux appuis A et B Chargement sur la poutre Distance entre appuis

M max

Moment fléchissant au droit de l'application de la charge N

Diagramme des moments fléchissants

RA

N

A

RB B

M max = + N

D CONS 2022 B

+

4

02349_A_F

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6

C 8 -1

Le module de résistance du profilé, qui permet de définir la section de la poutre est donné par la relation : M max

σ = I/v d'où l'on tire la valeur du module de résistance :

I M v

I

=

=

max

σ

Nxl

v 4x σ avec

I

Module de résistance v M max Moment fléchissant σ Contrainte maximum admissible par le matériau b - Étude du diagramme des moments fléchissant sur une poutre encastrée ou rigide Soit une poutre hyperstatique, encastrée à ses deux extrémités, chargée en son milieu comme la poutre précédente et ayant même longueur.

N A

D CONS 2021 A

B

Le moment fléchissant maximum, dans ce cas particulier, a même valeur en travée qu'aux encastrements A et B. Nxl M max = ± 8 Diagramme des moments fléchissants

Nx 8

M max

N A

B

M =+ N x 8 02349_A_F

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D CONS 2022 A

M max =

Nx 8

7

C 8 -1

Le module de résistance du profilé, qui permet de définir la section de la poutre, est donné par la même relation que précédemment : M max

σ = I/v d'où l'on tire la valeur du module de résistance :

I M v

=

max

σ

I Nxl = v 8σ

c - Comparaison des résultats Il est alors possible de constater que pour la poutre articulée, le module de résistance permettant de définir la section du profilé est deux fois plus important que le module de résistance nécessaire à la tenue de la poutre encastrée. La section de la poutre isostatique nécessaire est donc plus importante que la section définissant la poutre hyperstatique. En réalité, cette hypothèse n'est pas aussi exacte, en effet : - sur la poutre articulée, les articulations d'extrémités n'offrent pas une liberté totale de déformation. Un léger moment d'encastrement apparaît au chargement et le moment en travée est inférieur à celui qui a été calculé. La poutre sélectionnée est donc légèrement plus résistante que celle nécessaire et permet par conséquent, une sécurité supplémentaire. - sur la poutre hyperstatique les encastrements ne sont pas aussi parfaits qu'en théorie et une rotation des extrémités apparaît dès que la poutre est mise sous charge. Cela se traduit par une diminution des moments d'encastrement et une augmentation du moment en milieu de travée. Dans ce cas, le module de résistance trouvé devient trop faible et cette construction présente des garanties de sécurité plus faible. Remarque : Si la poutre isostatique est plus importante en section, elle n'est pas nécessairement plus coûteuse que la poutre hyperstatique de section plus faible, qui elle demande des liaisons, aux autres éléments de la construction, plus importantes en rigidité afin d'assurer parfaitement les hypothèses d'encastrement.

02349_A_F

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8

C 8 -1

Diagrammes théorique et réel des deux cas de figures envisagés

Moments consécutifs aux entraves de liaison

Moments de relachement aux liaison ∆

Théorique ∆

N

B ∆

A

N

A

B

Réel ∆ Théorique Poutre isostatique (appuis libre)

Poutre hyperstatique (appuis encastrés)

D CONS 2027 A

∆

Réel

En conclusion il faut être très prudent lors du choix du type de construction et examiner en détail les avantages et les inconvénients de chaque hypothèse.

2-

ÉTUDE DU TYPE DE LIAISON ARTICULÉE a - Liaisons des poutres avec les poteaux • Liaisons profilé acier sur profilé acier Cornière D CONS 2028 A

Dans cette conception, l'âme de la poutre est “pincée” par deux cornières qui sont assemblées par boulonnage sur l'âme ou les ailes du poteau.

Poteau

Un jeu de 10 mm entre l'âme de la poutre et l'âme du poteau est laissé afin de faciliter la rotation et les déformations des attaches pour assurer les hypothèses de l’articulation.

Âme de la poutre

Cet assemblage ne ressemble pas du tout à une articulation théorique mais il est tout de même considéré comme tel car il n'offre que très peu de résistance aux rotations provoquées par les moments. Par contre, il doit assurer avec efficacité l'équilibre des efforts tranchants.

Poteau Poutre

D CONS 2028 B

Déformation des cornières

La liberté en rotation de l'assemblage est obtenue grâce à la déformation des cornières constituant les attaches au poteau ou par glissement de l'âme de la poutre entre ces cornières.

Déformation sous l'effet d'un moment à l'appui

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9

C 8 -1

• Liaisons profilé acier sur section en béton armé L'âme de la poutre peut être pincée entre deux cornières qui sont liées au poteau en béton armé par des ancrages boulonnés. Les ancrages doivent être mis correctement en place dans le béton au moment de la coulée.

Jeu de 10 mm environ

Poutre métallique

Partie d'aile grugée Poteau en béton armé Armatures

D CONS 2029 A

Âme de la poutre

Il est à remarquer que pour ces deux types de liaison, les déformations dues aux rotations sont extrêmement faibles et doivent rester dans le domaine élastique afin que la construction reprenne sa forme initiale dès que cesse l'application des sollicitations.

02349_A_F

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10

C 8 -1

b - Liaison des poteaux aux massifs de fondation Au niveau des jonctions avec les massifs de fondation des structures charpentes métalliques, il est possible de concevoir des articulations réelles et des articulations théoriques : articulation réelle avec axe de rotation : Poteau

Platine scellée

-

Articulation

D CONS 2030 A

-

articulation réelle par simple appui Profilé du poteau Plaques de renforcement Pièce d'appui arrondie solidaire du poteau

Platine du poteau Butée

Passage du boulon d'ancrage -

D CONS 2031 A

Platine scellée

articulation théorique C'est une articulation de conception simple et moins coûteuse que les précédentes. Elle est composée d'une simple plaque soudée à l'extrémité du poteau. Pour que l'articulation se rapproche le plus d'une articulation théorique, les boulons d'ancrage de raccordement aux massifs, doivent être placés sur le même plan vertical que l'axe de rotation.

y Boulon d'ancrage dans l'axe du poteau

D CONS 2032 A

Platine étroite

M

y'

Pied de poteau articulé

02349_A_F

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Rotation

11

C 8 -1

Lorsque cette articulation est soumise à un moment agissant suivant l'axe y'y, le bras de levier du couple devant équilibrer le moment égal à zéro car les boulons d'ancrage sont implantés sur l’axe de rotation y'y. La force de traction appliquée sur les ancrages peut être calculée d'après la relation suivante : M =F•d

F=

M d

Dans cette configuration, le bras de levier étant égal à 0, la valeur de la force F devient alors infinie. Les boulons d'ancrage ne pouvant résister à une telle force, ils se déforment alors seulement par extension en créant ainsi une légère rotation de la platine. Comme les calculs initiaux considèrent cette construction articulée ; les moments en pied de poteau sont faibles et les déformations des boulons doivent, autant que possible, rester dans le domaine élastique.

3-

ÉTUDE DU TYPE DE LIAISON ENCASTRÉE D’une façon générale, les assemblages pour constructions encastrées sont plus coûteux que les assemblages pour constructions articulées, leur réalisation demandant beaucoup plus de main d'œuvre et de travaux de soudure. a - Liaison des poutres avec les poteaux • Liaison par soudure au nœud d’encastrement

Raidisseur Raidisseur Poutre

Poteau

D CONS 2033 A

Gousset

Dans ces conditions d’hypothèse, la liaison des poutres aux poteaux doit être la plus continue possible. Tout d'abord, la poutre est soudée au poteau, l'angle formé par la poutre et le poteau est raidi par un gousset soudé. Afin d’augmenter la raideur des ailes des profilés, des goussets sont également soudés, entre les ailes et les âmes, afin d’assurer la continuité de la liaison du poteau, avec d'une part la poutre et avec d'autre part le gousset d'angle.

Nœud d'encadrement réalisé par soudure

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12

C 8 -1

Il se produit malgré tout un relâchement de cet encastrement sous l'action du moment, car le poteau ne possède pas une raideur infinie et se déforme lors de la transmission de l’effort. Par contre, l'angle formé par la poutre et le poteau, est structuralement indéformable. • Liaison par boulonnage, au nœud d’encastrement À l'extrémité de la poutre, il est soudé une platine qui reprend la totalité du gousset inférieur de renforcement. L’ensemble étant boulonné sur l'aile du poteau afin d’assurer une bonne liaison mécanique.

Poteau

Platine

D CONS 2033 B

Poutre

Nœuds d'encadrement réalisés par boulonnage

02349_A_F

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13

C 8 -1

• Liaison par boulonnage d’un profilé en acier sur une section en béton Dans ce cas la poutre possède une platine soudée à son extrémité. Cette platine est rendue solidaire de l'ancrage béton à l'aide de boulons d'ancrage noyés dans le poteau.

Poteau en béton armé

D CONS 2033 C

Poutre

• Liaison par soudure, d’un profilé en acier sur une section en béton Une platine de scellement dimensionnée afin de recevoir la poutre sur laquelle elle est soudée, est munie à sa partie arrière de pattes de scellement qui sont noyées dans le béton au moment du coulage. Ces plaques métalliques s'appellent des "INSERT PLATE"

Poteau BA Plaque de scellement

Pattes de scellement Poutre métallique soudée sur la platine

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D CONS 2034 A

Plaque de scellement

14

C 8 -1

Les pattes de scellement peuvent être fixées à l'arrière de la plaque, de plusieurs manières :

Pattes soudées D CONS 2035 A

Cette conception présente le risque de déformation des pattes pendant le transport et de fissuration, provoquant la rupture lors du redressage avant la mise en place dans le coffrage.

Cette solution semble être la meilleure, l'écrou est soudé sur la plaque métallique et la patte de scellement est alors vissée dans l'écrou. La plaque métallique peut être percée afin de faire légèrement déboucher la tige.

D CONS 2035 B

Pattes vissées dans un écrou

D CONS 2035 C

Pattes vissées dans la platine L'insert plate est taraudée et la patte de scellement est vissée.

Le manchon spécial (goujon Nelson) est soudé derrière la plaque et la patte de scellement est vissée à l'intérieur comme dans un écrou. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'une machine de soudage spéciale (soudure par étincelage).

02349_A_F

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D CONS 2035 D

Pattes vissées dans des manchons spéciaux

15

C 8 -1

b - Liaison des pieds de poteaux aux massifs de fondation La conception de la construction ne doit permettre aucune rotation du pied de poteau par rapport au massif. La liaison devant être la plus rigide possible, tous les éléments qui la composent ne doivent admettre aucune déformation. Puisqu'il s'agit d'encastrement, afin d'équilibrer au mieux le moment qui est appliqué en pied de poteau, les boulons d'ancrage sont implantés le plus loin possible de l'axe de rotation de la platine. La platine ainsi que les ailes du poteau sont ensuite raidies par des goussets.

M Gousset F

Platine épaisse F

Poteau

d

M =F•d

2 x 3 boulons d'ancrage

F=

D CONS 2036 A

Renforts

M d

Plus la distance (d) entre les boulons d'ancrage est grande, plus la force de traction dans les boulons tendus est faible. La valeur de cette distance doit être limitée, car la platine ne doit pas être trop large afin de conserver une raideur suffisante.

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16

4-

C 8 -1

STABILITÉ DES DIFFÉRENTS TYPES DE CONSTRUCTION a - Stabilité des structures encastrées En principe, une construction encastrée se suffit pour assurer sa propre stabilité.

F

F

D CONS 1227 J

F

Les trois portiques représentés ci-dessus sont stables. Ils ne se déforment que sous l'action d'une →

force horizontale F . Dans une construction où tous les éléments sont encastrés, les profilés sont de sections moins importantes que dans une construction articulée identique. Il en découle une souplesse de l’ensemble plus importante qui engendre de grandes déformations ou des vibrations dues aux efforts horizontaux variables (vent). Ceci oblige très souvent l’installation de contreventements de raidissage afin de limiter l'amplitude des déformations horizontales et verticales.

F

F

D CONS 1227 K

F

non raidie

partiellement raidie

02349_A_F

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totalement raidie = pas de déformation

17

C 8 -1

b - Stabilité des structures articulées Une construction entièrement articulée n'est pas stable. Les poutres et les poteaux ne peuvent dans cette conception assurer à eux seuls la stabilité de la construction.

D CONS 1227 A

F

Construction articulée

Instabilité

Renversement

Pour améliorer la stabilité de ce type de construction, il est indispensable d'installer des contreventements. Ils peuvent être réalisés de différentes façons : contreventements en diagonale

D CONS 1227 B

-

Cette conception évite toute déformation, mais entrave le passage entre les poteaux.

D CONS 1227 C

- contreventements en V

Cette conception permet le passage seulement au milieu et limite également toute déformation.

D CONS 1227 D

- contreventements partiel Cette disposition peut permettre le passage d'un opérateur sur toute la largeur de la travée, mais donne de la souplesse aux poteaux qui dans ces conditions peuvent notoirement se déformer.

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18

C 8 -1

III - RACCORDEMENT DES CONTREVENTEMENTS AUX POUTRES ET AUX POTEAUX 1-

PROFILÉS UTILISÉS POUR CONSTITUER LES BARRES DE CONTREVENTEMENT Selon l’intensité des efforts que doivent supporter les contreventements, ceux-ci sont constitués par :

• Des cornières

• Des profilés en U

D CONS 1229 A

• Des profilés en Ι

• Des profilés en H

2-

CONCEPTION DE L’ASSEMBLAGE Les profilés dissymétriques qui possèdent une partie extérieure lisse, comme les cornières et les U, se prêtent parfaitement à l’assemblage par boulonnage de part et d’autre de goussets soudés aux poteaux et aux poutres. Toutefois il faut, le plus possible, éviter de concevoir des contreventements à l’aide d’un seul profilé en cornière ou en U. En effet, le décalage de leur axe d’inertie par rapport à la partie lisse en contact avec le gousset, crée un moment supplémentaire qui peut provoquer la rupture de l’ensemble de la boulonnerie par effort de traction excessif. Axe d'inertie de la section

G Effort F

Décalage

Gousset

G Effort F

d

Décalage

D CONS 1178 A

d

Dans cette conception d’assemblage, il se produit un moment parasite sur l’attache, égal à : M

= Fxd

02349_A_F

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19

C 8 -1

D CONS 1179 A

Par contre, ces deux types de profilés conviennent parfaitement pour la constitution de barres de contreventement lorsqu’ils sont employés par paire de part et d’autre d’un gousset de liaison.

Gousset

Les contreventements sont implantés en tenant compte de l’axe de trusquinage des profilés les constituant. L’axe de trusquinage (ou ligne de trusquinage) est la ligne, où l’usage, a fixé de façon absolue l’implantation des trous de passage des boulons sur les profilés du commerce : - sur les profilés en cornière, cet axe de trusquinage est généralement rapproché de l’arête extérieure et ne correspond ni à l’axe d’inertie, ni à la demi-largeur d’aile. Par exemple sur une cornière de 80 x 80 x 8

57,40 Axe d'inertie

40 demie largeur d'aile

-

D CONS 1180 A

35 Axe de trusquinage

Dans la définition de l’assemblage il est considéré que la droite d’action, par laquelle passe l’effort de traction ou de compression qui sollicite un contreventement, est confondue avec l’axe de trusquinage.

sur les profilés en U, il n’y a alors aucune difficulté, car ils sont assemblés sur l’âme et l’axe de trusquinage est confondu avec la demi-hauteur du profilé, qui correspond à l’axe du moment d’inertie horizontal

Axe de trusquinage Axe d'inertie

h h/2

02349_A_F

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D CONS 1181 A

h/2

20

C 8 -1

IV - DÉTERMINATION DU TRACÉ D’UN GOUSSET Les dimensions d’un gousset sont fonction de l’importance des éléments de charpente à boulonner, du nombre de boulons à installer et de l’angle formé par le contreventement et les barres à raidir. Chaque fois que cela est possible, la droite d’action de l’effort sollicitant un gousset doit répondre aux conditions suivantes : - être confondue avec l’axe de trusquinage des profilés - passer par le centre du cordon de soudure de raccordement du gousset sur la barre support, afin de ne pas créer de sollicitations supplémentaires La méthodologie du tracé du gousset est la suivante :

Ax ed

et

rus

qu

ina

ge

- positionner la barre et l’axe du trusquinage du profilé. L’intersection devant être le centre du cordon de soudure, dont la longueur finale est définie en fin de tracé - tracer le profilé à boulonner sur le gousset. Laisser un jeu de 20 mm entre l’extrémité du profilé et l’aile du profilé constituant la barre, pour le cordon de soudure de liaison et maintenir l’articulation - implanter le nombre de boulons de liaison, tout en tenant compte de la pince d’extrémité et de l’espacement entre les boulons

do

D CONS 1182 A

1.

2 Mi do ni 2.2 Mi do ni

Lo

2.

2 Mi do ni 1.2 Mi do ni

20 mm

- limiter la longueur du gousset en tenant compte de la pince d’extrémité mesurée à partir de la position du dernier boulon - le gousset est délimité par un côté perpendiculaire au profilé ; le deuxième côté étant perpendiculaire à l’aile du profilé constituant la barre; le troisième côté étant déterminé par la symétrie du cordon de liaison dont la longueur totale est vérifiée afin d’assurer une bonne tenue mécanique du cordon 02349_A_F

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21

C 8 -1

Lorsque la soudure de liaison du gousset avec le profilé est symétrique par rapport à l’axe de trusquinage du contreventement, l’assemblage ne subit pas de moment parasite supplémentaire. Par contre, lorsque l’axe de trusquinage ne passe pas par le milieu du cordon de soudure du gousset, il faut tenir compte de la présence d’un moment parasite dans le calcul des cordons de soudure.

y F

Milieu de la longueur du cordon de soudure

D CONS 1183 A

Intersection de l'axe de trusquinage avec le cordon de soudure

Décalage créant un M = F. d

D CONS 1184 A

Lorsqu’il n’est pas possible de réaliser la liaison du gousset par soudure sur le profilé, il est possible de réaliser cette liaison par boulonnage. Le gousset est alors composé par une platine sur laquelle un gousset est lui-même soudé, ou découpé dans un profilé.

Assemblage par boulonnage

Gousset soudé sur une platine

Gousset découpé dans un profilé

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C 8 -1

Lorsque les profilés sont de section symétrique (IPN ou HEB), ils ne possèdent plus de face lisse permettant une reprise sur ce gousset, de plus, ils sont souvent utilisés seuls, car ces profilés ont des axes d’inertie confondus dans leurs axes de symétrie et de trusquinage. Il est, dans ce cas, possible de les raccorder à un gousset comme précédemment par une platine soudée à l’extrémité de chaque contreventement. Chacune des platines étant alors boulonnée soit sur le poteau, soit sur la poutre.

Point d'épure

D CONS 1185 A

Axe de trusquinage et d'inertie contreventement

Ce type de construction demande par contre une grande précision dans l’exécution des perçages et des contre-perçages.

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EMMPM r-FORMATION INDUSTRIE

Risques et Précautions liés au Matériel

-

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE -,CAPACITÉ

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

MATÉRIEL DE TUYAUTERIE : NORMALISATION

I - GÉNÉRALITÉS . . . . . . . .. . .. . .. . .. .. . .. .. .. . . . . ... .. . .. .. . . . . .. . .. . . . .. . ... .. . . . ... .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. ... . .. .. . . . . . . . . . .. . .. ... .. ... .. . .1 II - CLASSIFICATION DU MATÉRIEL DE TUYAUTERIE . ... . .. .. . . . .. . ... .. . ... . .._. . .. .. .. . .. . .. . .. . . . .. . .. .. . .. .._ 2 1 2 3 4

-

Normalisation internationale . ....... .. .... . .... ..... . ..... ... . . . .. . . .... . .... . .... ..... .... . .... ..... ..... .... ..... ..... .... . . ... . .... ....... . .... 2 Diamètre nominal .. . .... . .... ...... . .... .. ..... ...... ..... ...... . ... . .... ..... ..... .... . .. .... .... ..... .... .... ... .. ..... .. . . .. .... .. .. ...... ........... . 2 .3 Pression nominale - Série ... . ..... ...... . ...... .... . .... ..... ..... ..... . ... .. . ... . .... ..... ..... ........ .... . . ... ...... .... ...... ..... ............... ......4 .. ... .... . .... ..... ..... .... . ...... . .... ..... ...... ... . .... ... .. . .. . .. ...... ..... ..... .... . . .. ..... .... . ............ . .. . . ..... .... ..... ..... . . . Matière

Ce document comporte 6 pages

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201312000

Rev . 1

I-

GtNÉRALITÉS De nombreux organismes nationaux ou internationaux ont établi des normes, règles, spécifications et codes. Ceux-ci permettent de définir au mieux, en utilisant l'expérience acquise, les dimensions, la qualité, les caractéristiques, les méthodes d'essais et d'emploi de la majorité des matériels et des produits utilisé dans l'industrie pétrolières et pétrochimiques. Les principaux organismes qui ont cette vocation sont les suivants I .S.O.

"International Organisation for Standardization" C'est un organisme international qui effectue des travaux de coordination des divers normes nationales en vue d'établir les documents internationaux.

A.S.T. M.

"American Society for Testing and Materials" L'ASTM définit les caractéristiques des matériaux (par exemple les aciers) et les normes correspondant aux essais de contrôle de qualité.

A.N.S.1 .

"American National Standards Institute" Ce code de construction concerne toutes les tuyauteries et leur mise en ceuvre . Par exemple la référence ANSI B31-3 concerne les tuyauteries d'hydrocarbures et l'ANSI B 16-5 concerne les brides .

"

A.S .M .E.

"American Society of Mechanical Engineers" Ce code définit toutes les caractéristiques de construction des chaudières à vapeur et appareils chaudronnés sous pression . La section VIII divisions 1 et 2 concerne plus particulièrement les appareils chaudronnés utilisés dans les unités de fabrication pétrole et pétrochimie.

"

A.P.I.

"American Petroleum Institute

A.F.N.O,R.

"Association Française de Normalisation" Pour l'industrie du pétrole l'AFNOR définit des normes françaises homologuées concernant des matériels et des produits. Plus particulièrement pour le matériel pétrolier, elle édite également des feuilles dé documentation qui correspondent aux normalisations américaines.

"

S.N .C.TTI .

"Syndicat National de la Chaudronnerie: Tôlerie. Tuyauterie Industrielle" II a établi des règles de construction françaises équivalentes aux codes ASME et ANSI, à savoir : - CODAP

Code Français de construction des appareils à pression non soumis à l'action de la flamme

- CODRES

Code Français de construction des réservoirs cylindriques verticaux en acier

- CODETI

Code Français de Construction des Tuyauteries Industrielles

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II -

CLASSIFICATION DU MATÉRIEL DE TUYAUTERIE 1-

NORMALISATION INTERNATIONALE L'ISO depuis 1975 a travaillé à unifier les deux systèmes de normalisation (essentiels) des assemblages par brides : -

l'un américain basé sur l'ANSI S 16-5, l'API 605 et la MSS SP 44, l'autre européen basé sur les normes DIN .

La norme AFNOR NF E 29.002 en concordance avec les travaux de VISO a défini des valeurs de pressions et de températures s'appliquant généralement à tous les éléments d'une tuyauterie. a

Pressions et températures se rapportant à un composant de tuyauterie

PMA PBA TMA TBA b

Pressions et températures rapportant à une tuyauterie

PMS PBS TMS TBS

2-

pression maximale admissible pression minimale admissible température maximale admissible température minimale admissible se

pression maximale en service pression minimale en service température maximale en service température minimale en service

P bar PMA_ PMSPBS PBA -

I I

I I

I ~__ --_

----I I I I I

I , , I I

I I i i

I I

I I

I I

TBA TBS TMS

I I

TMA

T OC

0

ô

DIAMÈTRE NOMINAL Le diamètre nominal DN est une désignation dimensionnelle numérique commune à tous les éléments de tuyauterie qui ne sont pas désignés par leur diamètre extérieur. Le nombre qui suit le sigle DN est un nombre entier utilisé à des fins de référence et n'est relié que d'une manière approximative aux dimensions de fabrication. a - Normes américaines ANSYAPI II y a peu de temps, le diamètre était encore repéré par un nombre appelé Nominal Pipe Size NPS ou diamètre nominal exprimé en pouce (") : Le diamètre extérieur correspond à une valeur qui peut-être lue sur catalogue ou sur les normes de tubes. II n'y a pas de corrélation entre le NPS et le diamètre extérieur réel Exemple : Un tube NPS 4" a un diamètre extérieur réel de 114,3 mm et non de 4" x 25,4 =101,6 mm . A partir du NPS 14" il y a identité entre la valeur du nombre repéré et le diamètre extérieur réel Exemple : Un tube NPS 14" a un diamètre extérieur de 14" x 25,4 : 355,6 mm .

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b - Normes ISO Les américains dans le but de s'adapter au système métrique ont adopté récemment la normalisation ISO (Organisation Internationale de la Standardisation) pour exprimer les diamètres nominaux de leurs composants de tuyauterie en les repérant par des nombres entiers 15 (112"), 20 (314") .. .600

NPS : nombre de'

112

314

1

1112

2

3

DN : nombre de " x 15

20

25

40

50

80

25

I

I

4

I

100

6 150 I

8

10

12

200

250

300

I

14

16

350 I

18

400 I

0

20

450 500

24 600

0

Exemple : L'ancienne dénomination NPS 14" devient DN 350. Ex. : Robinet-vanne DN 350.

3-

PRESSION NOMINALE - SÉRIE La pression nominale PN ou Série est une désignation numérique exprimée par un nombre entier à des fins de références . Elle traduit l'aptitude du matériel de tuyauterie à résister à la pression à température donnée . a - Normes américaines (série ANSI : American National Standards Institute) pression de Les séries étaient définies en tenant compte du matériau, de la température et de la fonctionnement. Les séries ou "classes" normalisées A.N .S .I . étaien t 1,50 0 - 300 # - 400 9 - 600 # - 900 # -1 500 # - 2 500 # carré correspondait à une pression Par exemple, la série 300 #, c'est-à-dire 300 livres par pouce . d'utilisation de 300 psi (20,6 bar) à une température de 450°C métrique (Normes ISO) ont Comme pour les DN, les américains, dans le but de s'adapter au système PN suivi d'un nombre qui ne modifié la désignation des séries par un repérage comportant le sigle sensiblement à la pression maximale représente pas une valeur mesurable mais qui correspond de service à :20'C (en bar) . ANSI concernant la robinetterie La correspondance entre les nouvelles et anciennes désignations est donc la suivante ROBINETTERIE Nouvelle Dénomination ISO

Ancienne Dénomination

PIN 20

Classe 150 #

PN

50

Classe 300 #

PN 100

Classe 600 #

PN 150

Classe 900 #

PN 250

Classe 1500 #

PN 420

Classe 2500 #

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b - Normes ISO

Les nouvelles séries normalisées par fISO sont les suivantes. Elles incluent entre autre les brides aux moins américaines . Série I Usage général

Série 2 Usage limité

10

2,5 6 25 40

16 20 50 100 150 250 420

Tous les composants normalisés de même DN et de même ISO PN doivent avoir des définitions de raccordement identiques ou complémentaires . La planche en annexe indique dans le cas d'aciers courants, les valeurs de la pression maximale admissible en fonction de la température pour différentes séries . 4-

MATIÈRE La résistance à la température et à la corrosion du matériel de tuyauterie dépend du matériau utilisé. Les normes ASTM et API définissent les différentes qualités d'acier pour chaque type de matériel et de service. Ex. : Matériau pour assemblage à brides selon l'ASTM . Température maxi 232°C - ISO PN 20 et 50 Acier au carbone

Brides : A 181 Tiges filetées : A 307 Grade B Ecrous : A 307

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i

COURSES DE PRESSION MAXIMALE D'UTILISATION EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE SELON ANSI B 16-5 -1988

Groupe de materiaux 1 .1

Pour acier au carbone selon ASTM

A 105 A350GrdLF2

Courbes tirées d'un tableau de valeurs données à titre indicatif

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Risques et précautions liés au matériel FORMATION INDUSTRIE

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ TUBES - BRIDES - JOINTS

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I-

TUBES .... .. .. . .. . . .. . . .. . . .. . .... ... . ... . ... .... . ... .... . .... .... . ... . .... . ... . .... .... . ... . .... . ... . . .. . . ... . . .. . . . ... . . ... .... . . .. . .... . ..1 12345-

il -

BRIDES .. . ... . ... . . ... . ... . .. . ... . .... ... . . ...... .... . ... . .... .... . ... . .... .. .. . .... . ... . . .. . . .. . . . .. . . ... . . ... . .... .. .. . ... . .... . . ... . . .. . . .4 123-

III .-

Résistance a la température . ... ... .. ... ... ... . ... ... ... ... ......... ... ... .. .. ... ... ... ... . ... ... ... ... . ... ............ .. . ... ... ... ... . ... ..... .... .8 Divers types de joints . ... .............. .... ............. ... .......... ... ... ... ... . ... ... ... ... . .. . ... ... ... ... ... ... . .. ... ... .......... ... .. .. . . ... ... ..8

LA BOULONNERIE .... .... ... . ... .... . ... ... . ... . .. .. . ... . ... . . .... . .... . .. . . ... . ... . .... . ... . ... . .... . ... . .... . . .. . . .... . ... . .... . ...9 123-

V.

But ....... .... ... .......... ... ... . ... ... . ... . ... .... .......... ... ... ... .... ... ... ... ... . . ........ ......... ... ...... ... . ... ... ... ... ... ... .... ........ . .. . ... ... ... .4 Principe ... .... ... ... .... ... ........ ...... ... ........ ....... ...... ... ...... .. . ... ... . ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...... ....... .. . ... ... ... .. . .... ..... ... .......4 Caractéristiques des brides .. . ... ... ....................... ... ... ... . . ..... ... ... .......... ... ................... ... ... ... ... ... . ...... ......... ... ..4

JOINTS . ... . . ... .. . . . . . . ... . ... . ... . ... . ... . ... .... .... . ... . .... ... . . ... . .... . ... . ... . .... . ... . . .. . . ... . ... . . . .. . . ... . . ... . ... . . ... . . .. . . . . . .8 12-

IV -

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Les boulons ................. ... . ... ... ........... ....... ... ... ... .......... ......... ...... . .. .... ... ... ... .... ... ... ... ... . ... ... .. ........ . . ... ... ... ... ....9 Les tiges filetées .. .... ... .............. ........... ......, ... ... ...... ... ... ... ... . ... ... ... ... . ... ... ... ... .... ......... ...... ... ... ... ... . ............ ... .9 Utilisation . ............ ... . ... ... .......... .. . . ....... ...... . ... ... ... ... . ......... ... ................... ............. ... .... .. ... . ................. . ... ... ... ..9

MISE EN OEUVRE DES ASSEMBLAGES À BRIDES .... .... . ... . .... .... . ... . .... .... . . .. . . . ... . .... . ... . .... . . . .10 123-

Utilisation des joints ... .... .. . .. . . ... ........ ... ... ... ....... ... ... ... ... ... .......... ... ... ....... ... ... ... . .. . ... ... ... ... .................. . ... ... ...10 Montage ................. .... ... ... .... ... . .......... ... ... . ... ... ... ... .... ..... . ... .......... ... ...... ............. ... ... ...... . ... ......... .. ... . ... ... ...10 Brides de grand diamètre .. ......... ..... . ...... ... .......... ... ... ... .. . . ... ... ... ... ....... ... ... ....... ......... ... ... ... . .. ... .... ... ...... ... ..11

Ce document comporte 16 pages

12112/1994

© 1994 ENSPM-Formation Industrie

I

Révision O J

I-

TUBES 1-

BUT Assurer l'écoulement durant le transfert d'une quantité de fluide entre deux points d'une installation . Ils devront répondre à trois fonctions principales résistance mécanique, résistance chimique, assurer le passage du débit demandé

2-

DIAMÈTRE Le diamètre des tubes est repéré par le Nominal Pipe Size (NPS) dans les normes américaines, par le Diamètre Nominal (DN) dans les normes internationales .

3-

EPAISSEUR DES TUBES L'épaisseur d'utilisation éventuelle, seulement) contrôles .

des tubes est obtenue par un calcul faisant intervenir les conditions (pression, température), la nuance utilisée, la surépaisseur de corrosion la tolérance de fabrication, l'usinage des extrémités (pour le filetage et le coefficient de joint qui dépend du procédé de fabrication et des

Connaissant l'épaisseur de calcul, l'épaisseur réelle est choisie sur les normes ou les catalogues des fabricants. a - Normes ANSI Dans le standard ANSI B 36-10, on peut lire que l'épaisseur des tubes à extrémités lisses normalisée est reliée au nombre repère sans dimension appelé "Schedule Number "(Sch) . Les schedules numbers sont définis par des nombres entiers sans dimension : 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 pour l'acier au carbone et faiblement allié . Pour les tubes en acier inoxydable, certains schedules numbers ont été retenus . Ils sont alors suivis de la lettre S (stainless steeQ . Pour chaque diamètre nominal, plusieurs valeurs de schedules, donc d'épaisseurs, sont attribuées . La planche 1 montre les différents schedules existants pour quelques diamètres nominaux. On constate à diamètre nominal égal, plus le schedule est grand plus l'épaisseur est élevée exemple :

tube NS 14" pour le Sch 10 tube NS 14" pour le Sch 80

épaisseur 6,35 mm épaisseur 19,05 mm

tube NS 3" pour le Sch 80 tube NS 6" pour le Sch 80

épaisseur 7,62 mm épaisseur 10,973 mm

à schedule égal, plus le diamètre nominal est grand plus l'épaisseur est élevée . exemple

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Mis à part le calcul complet de l'épaisseur des tubes préconisé par l'ANSI B 31-3, la valeur du schedule pour un diamètre normalisé peut être obtenue à l'aide de la relation suivante

Sch = 1 000 " P S Dans cette relation P S

est la pression intérieure de calcul du tube est la contrainte d'utilisation du matériau à la température de calcul

Au repère précédent (schedule) vient s'ajouter un repérage issu de l'API définissant des épaisseurs identiques ou complémentaires . Elles sont identifiées par les appellations Std (standard) épaisseur courante, peu utilisée, XS (extra-strong) forte épaisseur, XXS (double extra-strong) très forte épaisseur . b - Normes API 5 L Dans les spécifications API 5L, les épaisseurs des tubes à extrémités lisses de ND 1/8" à 1 "1/2 sont encore désignées par ce repérage Std, XS et XXS ainsi que par leurs valeurs réelles données en inches et millimètres . Pour les diamètres des tubes à extrémités lisses de 2"1/2 à 20", les épaisseurs sont exclusivement exprimées en inches et millimètres . La planche 1 indique les caractéristiques dimensionnelles de quelques tubes utilisés en production La planche 2 donne les caractéristiques géométriques et mécaniques d'un exemple de tubing 4 -

SUPPORTAGE DES TUYAUTERIES Les tuyauteries sont soumises à différentes sollicitations poids de la tuyauterie vide, de ses accessoires et éventuellement poids du liquide contenu . pression intérieure effet du vent coups de bélier, vibrations effets dus à la dilatation. Ces sollicitations engendrent des déformations et des contraintes mécaniques de traction, de flexion et de torsion qu'il faut contenir dans des limites acceptables . Le choix de l'implantation sont étudiés avec soin par les bureaux d'études et ne doivent pas être modifiés sans une étude approfondie .

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On distingue principalement Les supports de reprise de poids sur tuyauterie horizontale, ils ont pour rôle delimiter la flèche. sur tuyauterie verticale, ils reprennent le poids pour éviter de fortes sollicitations mécaniques sur les raccordements aux appareils par exemple . Les guidages dont le rôle est d'assurer le libre déplacement de la tuyauterie dans une ou deux directions tout en contrôlant et en limitant le déplacement dans des autres directions . Les ancrages ont pour rôle d'immobiliser la tuyauterie en un endroit appelé point fixe. La liaison entre le tuyauterie et la structure sur laquelle est fixée l'encrage doit être la plus rigide possible. D'autres types de support peuvent équiper les tuyauteries par exemple les supports à réaction variable ou constante appelés couramment supports à ressort . lis ont pour but de reprendre le poids d'une tuyauterie pour éviter les charges importantes sur les équipements tout en l'accompagnant dans son déplacement. C'est la cas des supports pour les lignes chaudes qui se dilatent beaucoup.

- Exemple de supportage © 1994 ENSPM-Formation Industrie

5-

RECEPTION DES INSTALLATIONS Lors d'une modification ou aménagement d'une installation, le personnel chargé de réceptionner les travaux doit s'assurer que les tubes utilisés correspondent aux spécifications (épaisseur, nuance, . . . ) . Un tube inadapté peut être à l'origine de perturbations hydrauliques (perte de charge ou blocage d'un racleur), d'assemblage (soudage sans déiardage) avec les autres éléments tubulaires, défaut d'éclatement causé par un épaisseur trop faible face à une pression trop élevée, risque nuance d'acier mal choisie fragilisant à froid. De même le bon montage des supports prévus doit être vérifié .

II -

BRIDES 1-

BUT Assurer une liaison démontable entre divers éléments d'un réseau de tuyauterie (tronçon de tuyauterie-liaison sur une machine tournante, sur un appareil chaudronné) . C'est le mode de liaison le plus utilisé à partir d'un diamètre de 2" ou DN 50.

2-

PRINCIPE Un assemblage à brides se compose d'un ensemble de jeu de brides, compatibles entre elles, d'un ensemble d'étanchéité : le joint, d'un ensemble d'éléments d'assemblage : la boulonnerie .

3-

CARACTÉRISTIQUES DES BRIDES Dans les industries pétrolières, pétrochimiques et chimiques, les principales normalisations qui prédominent sont ANSI B 16-5 pour la gamme de diamètre compris entre 1/2" et 24" Ce code de construction est complété par MSS API BS -

SP 44 605 3293

lors de l'utilisation de 0 > 24"

les séries de normalisation françaises : N F E 29005-85

les normes allemandes DIN de la série 2500

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D IM; a - Définition d'une bride Une bride est définie par divers éléments son type : il est fonction de son usage . du diamètre son diamètre : il est fonction du diamètre de la ligne de tuyauterie ou raccorder des tubulures des appareils à de sa série : elle est fonction de la matière et du couple pression-température Service . sa face : elle est fonction de l'élément d'étanchéité qui va être utilisé . sa matière : elle est fonction du couple pression et température et de la résistance à la corrosion face à l'agressivité du fluide véhiculé . b - Principaux types de brides Selon la normalisation internationale ISO et NFE 29203 et NFE 29204 Bride Welding neck (symbolisation :

WN)

---e -~-

Utilisée principalement pour les diamètres à partir de 2"' . Sa forme permet d'absorber facilement de très forts couples pression et température . Une seule soudure en bout à réaliser sur le tube. Le contrôle radiographique de la soudure est aisé. Lors de son choix on doit s'assurer de la correspondance entre l'épaisseur du collet et du schedule du tube. -

Bride slip-on (symbolisation :

1-SO)

Cette bride est utilisée sur les diamètres supérieurs à 2", lorsque les conditions de pression et de température sont faibles . Son usage est intéressant pour des raisons d'économie de matière (le coût de mise en place est identique à celui d'une WN, malgré la présence de deux soudures) . Les soudures sont difficilement radiographiables .

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D

Brides socket-welding (symbolisation :

--~ - SW)

Elle est utilisée pour des conditions de pression et de température élevées sur des lignes de diamètre inférieur à 2". La mise en place sur le tube est assez aisée. La position de radiographiable .

la soudure is rend difficilement

Pour des raisons de sécurité, il n'est pas fait usage de ce type de bride sur les réseaux d'hydrogène. II faut s'assurer de la concordance du diamètre intérieur de la bride avec le diamètre intérieur du tube. Bride lap-joint (symbolisation : -, LJ) Le plateau peut être en acier au carbone, alors que le collet à souder en bout du tube peut être en acier allié. Elle est utilisée pour des lignes véhiculant des fluides corrosifs ou des fluides demandant de grandes garanties de propreté . (inox pour alimentaire) . Une seule soudure en bout avec le tube ; il faut veiller à la correspondance : de l'épaisseur du collet et du tube. Dans certains cas ce type de bride dégage de l'imposition de concordance des trous de passage de la boulonnerie . La portée d'appui du collet est toujours une face plate. Bride taraudée ou threaded (symbolisation :

--+J

T)

De moins en moins utilisée pour des raisons de sécurité face à l'étanchéité . Elle est encore employée lorsque le soudage est impossible lors de traitement thermique par exemple .

-

Bride pleine ou blind flange (symbolisation :

----ÏI BF ou BP)

Elle est employée pour fermer l'extrémité d'une ligne provisoirement ou parfois à caractère définitif tout en se dégageant, en cas de prolongement, des problèmes de permis de feu .

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A-un

10 Bride plaquée Ce sont très souvent des brides de type slip-on . Sur les grands diamètres on utilise une bride en acier ordinaire sur laquelle on dépose un métal protégeant de la corrosion les parties éventuellement sollicitées .

des groupes de La série des brides répondant aux normes ISO sont définies pour de service .1 matériaux en tenant compte des couples pression-température c - Les faces de brides assure La face de bride est la partie de la bride qui, associée à l'élément d'étanchéité, joints. lié une famille de cette fonction. A un type de face de bride est, en général, Les principaux types de face de bride sont la face plate ou flat face (symbolisée FF ou FP) FACE

PLATE

FF . . FP

Ce type de face de bride est particulier. II n'est utilisé que sur des brides, dont le matériau présente des risques de fissuration sous l'effort du serrage (bronze, laiton, fonte) . Le joint porte sur toute la surface de la face de bride et comporte des trous de passage pour la boulonnerie .

la face de bride surélevée ou raised face (symbolisation FR ou FS) La hauteur de la surélévation est de quelques millimètres . Le but de la surélévation est de bien concentrer la force d'application de serrage sur le joint et de jouer sur la déformation de celui-ci .

FACE

SURÉLEVÉE

R .F eu F.5

Divers types de finition sont disponibles " " " " " -

lisse ou smooth finish : pour joints plats et joints spiralés glacé ou cold water : pour joints métalliques rainures concentriques (concentric serrated), rainures spiralées, fond anguleux (spiral serrated), rainures spiralées, fond arrondi (stock finish)

pour joints plats, métalloplastiques, spiralés suivant les conditions opératoires.

la face de bride à emboîtement SIMPLE EMBOÎTEMENT FEMELLE OU MÂLE En cas de rupture du joint l'épaulement joue le rôle de brise-jet.

est à remarquer qu'aucun gabarit de perçage pour la boulonnerie ne permet le montage d'une bride normalisée ISO sur une bride normalisée française . © 1994 ENSPM-Formation Industrie II

DOUBLE EMBOÎTEMENT FEMELLE ET MÂLE

Le joint est bloqué dans un logement concentrique améliorant ainsi sa tenue face à la traction . Le profil de l'épaulement joue également le rôle de brise-jet.

EMBOÎTEMENT POUR JOINTS ANNULAIRES

Souvent appelé RTJ (Ring Type Joint) . II est utilisé pour les fluides à très haute pression et très haute température,ou les fluides difficiles tel que l'hydrogène par exemple . Afin de se dégager des sujetions imposées par les faces à emboîtement simple ou double, les pétroliers ont très souvent porté leur choix sur ce type de face de bride . la face à emboitement pour joint lenticulaire métallique

Pour joint métallique dans des conditions de service sévères (pression et température)

III -

JOINTS Dans un assemblage à brides, l'élément d'étanchéité a un comportement assez complexe, qui n'a pas toujours été étudié d'une façon très rigoureuse . Son comportement est lié aux diverses sollicitations auxquelles il est soumis .

1 -

RESISTANCE A LA TEMPERATURE Les différentes matières constituant les joints se comportent de manières fort diverses lorsqu'elles sont soumises à de fortes températures . -

les caoutchoucs se vulcanisent à 110°C, les amiantes-élastomères durcissent à 450°C, l'amiante se déshydrate à partir de 480°C et se pulvérise vers 850°C .

On voit que la température a pour conséquence de modifier profondément la structure du matériau constituant le joint et de le rendre impropre à l'étanchéité . II est à remarquer que pour les composés, amiante-élastomère, plus l'épaisseur du joint est faible, meilleure est sa tenue face à la température .

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D

2-

DIVERS TYPES DE JOINTS (Planche 3) Les constructeurs ont classé les joints en trois grandes familles

-

les joints tendres les joints métalloplastiques les joints métalliques .

IV - LA BOULONNERIE La boulonnerie utilisée pour assurer le serrage des brides est composée de boulons ou de tiges filetées avec deux écrous.

1 -

LES BOULONS Ils sont utilisés pour des installations travaillant à faible pression et en particulier pour les tuyauteries souterraines .

2-

LES TIGES FILETÉES Elles permettent un démontage plus facile que les boulons . Quand un écrou est indesserrabie, on peut en effet agir sur le second . Elles existent dans des métaux spéciaux et peuvent être choisies en fonction de la température d'utilisation, de l'effort de serrage ou du coefficient de dilatation.

3 --

UTILISATION La boulonnerie doit être adaptée aux conditions de service (température, pression, corrosivité,  . .). Tous les filets de l'écrou doivent être pris sur la tige filetée .

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Mauvais montage © 1994 ENSPM-Formation Industrie

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V-

MISE EN CEUVRE DES ASSEMBLAGES À BRIDES

1 -

UTILISATION DES JOINTS Les joints doivent être absolument adaptés aux conditions de service (diamètre série, qualité) . Les joints ne sont pas réutilisables à l'exception de certains joints métalliques . Ceux-ci peuvent être réemployés à condition qu'ils ne soient pas déformés, ni rayés. Les faces des brides ne doivent pas avoir de détérioration telles que : rayures, corrosion, piqûres appréciables, . . . Les joints doivent être parfaitement centrée entre les brides .

2-

MONTAGE Des précautions très particulières doivent être prises pour le serrage des brides car des opérations incorrectes peuvent déformer le plan de joint ou déformer définitivement le joint d'étanchéité. a - Parallélisme Pendant le rapprochement des brides sous l'action du serrage les faces doivent rester parallèles . II ne s'agit pas d'obtenir le parallélisme uniquement en fin de serrage car si à un instant le parallélisme n'est pas respecté, le joint peut être écrasé d'une manière irréversible au point le plus serré .

Disposition risquant de détruire le joint et la boulonnerie II est donc nécessaire -

-

d'amener les faces en contact sur tout le pourtour avant de les serrer de procéder à un serrage progressif et équilibre des boulon s

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D

La méthode générale est un serrage en croix comme représenté cicontre .

b - Efforts de serrage Lors du serrage, on prend en compte les considérations suivantes -

limite élastique de l'acier des boulons

limite minimale de compression du joint pour assurer l'étanchéité -

limite maximale d'écrasement du joint afin de conserver ses propriétés mécaniques

On a recours à des méthodes très diverses clefs (simples, à frapper, dynamométriques, hydrauliques allongement par dilatation thermique (tiges filetées chauffées) allongement par étirement hydraulique "bolts tensioners" La planche 4, donne à titre indicatif la pression nécessaire à appliquer sur un joint particulier (LATTYRIT) en fonction de la pression à étancher

3 --

BRIDES DE GRAND DIAMÈTRE II s'agit essentiellement de brides d'échangeur de chaleur : boîtes de retour, fonds, têtes flottantes et de certaines brides de grande dimension sur des colonnes ou réacteurs . Ces brides sont plus facilement sujettes à déformation que les brides de petit diamètre . Comme le serrage uniforme est, dans ce cas, très important, il y a lieu à chaque démontage de vérifier la planéité des plans de joint. Un défaut de planéité de l'ordre du millimètre est dangereuse. Il existe des machines permettant d'usiner en place ces brides avec des tolérances inférieures au dixième de millimètre. De plus, pour les échangeurs on doit s'assurer que les cloisons de boîtes de retour s'appliquent parfaitement dans les rainures des plaques tubulaires .

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A _V0.

TUBES : COMPARAISON EPAISSEURS Normes américaines (Extrait)

Diamètre nominal (IN)

Diamètre extérieur (mm)

Epaisseur du tube (mm)

Désignation selon

API 5 L

2-12 2-12 2-12 2-12

73 .025 73 .025 73.025 73.025

STD XS

3 3 3 3

88 .900 88 .900 88.900 88,900

STD XS

3-12 3-12

101 .600 101 .600

4 4 4 4 4

XXS

ANSI

ANSI B36-19

40 80 160

40S

836-10

Bo

s

5.156 7.010 9.525 14 .021

40S 80S

5.486 7.620 11 .125 15 .240

STD XS

40 80

40S

5.749 8.077

114.300 114 .300 114.300 114.300 114.300

STD XS

40 80 120 160

40S 80S

6.020 8.563 11 .125 13.487 17 .120

5 5 5 5 5

141 .300 141.300 141.300 141 .300 141 .300

STD XS

40 80 120 160

40S 80S

6..553 9.525 12.700 15.875 19 .050

6 6 6 6 6

168.275 168.275 168275 168.275 168.275

STD XS

XXS

XXS

XXS

40 80 120 160

BO S

40S

BO S

Diamètre extérieur (mm)

7.112 10.973 14.275 18.263 21 .946

14 14 14 14 14 14 14 14 14 14

355.600 355.600 355.600 355.600 355.600 355.600 355 .600 355.600 355.600 355.600

16 16 16 16 16 16 16 16 16 16

406 .400 406.400 406.400 406.400 406.400 406.400 406 .400 406.400 406.400 406.400

18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200 457.200

Epaisseur du tube (mm)

Désignation selon

API5 L

40 80 160

XXS

Diamètre nominal (IN)

STD XS

STD XS

STD

Planche 1 © 1994 ENSPM-Formation Industrie

XS

ANSI

B3610

ANSI

836-19

60 80 100 120 140 160

6.350 7.925 9.525 12.700 15 .080 19 .050 23 .825 27.788 31 .760 35.712

10 20 30 40 60 80 100 120 140 160

6.350 7.925 9.525 12.700 16.662 21 .438 26 .187 30 .963 36 .525 40 .488

10 20

6.350 7.925 9.525 11 .125 12 .760 14 .275 19.050 23.825 29.362 34.925 39 .675 45 .237

10 20 30

30 40 60 80 100 120 140 160

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© 1994 ENSPM-Formation Industrie

ÉTANCHÉITÉ AUX FLUIDES LIQUIDE ET GAZEUX

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Pression P du fluide A étancher, en bars

COURBES ET DONNÉES CARACTÉRISTIQUES (POUR ÉPAISSEUR 2 mm) LATTYRIT OIL MULTISERVICE

- Planche 4 © 1994 ENSPM-Formation Industrie

2 -

PROCÉDURE DE RÉALISATION Démontage (Permis de travail signé, accord de démontage) 1 -

Situer le sens du vent (se placer vent dans le dos)

2 -

Attaquer le premier boulon à l'opposé de soi, partie basse de la bride (1/4 de tour environ)

3 -

S'assurer qu'il n'y a pas de fuite, desserrer les deux autres boulons de part et d'autre du premier boulon d'environ 1/4 de tour Écarter légèrement en plaçant un coin en bronze . Constater qu'il n'y a pas de fuite

5 -

s'assurer qu'il n'y a pas de Desserrer légèrement à l'opposé du 1e" boulon fuite en plaçant à nouveau le coin (tuyauteries pouvant être en tension), finir le desserrage de la boulonnerie, écrous restants pleins

6 -

Déposer les boulons supérieurs (seulement ceux nécessaires à la dépose du joint)

7-

Écarter les brides, déposer le joint (le pousser vers le haut)

8 -

Expertiser le joint et les brides (portées, rayures, coups, dépôts, etc) Signaler les défauts

9 -

Contrôler la série,diamètre, qualité du joint et des tiges (face écrou)

10 -

Contrôler l'état de la boulonnerie inférieure restante (dépose une par une, nettoyage, graissage, fonctionnement libre à la main), s'assurer que les tuyauteries ne tire pas au-delà des tolérances

" Remontage 1 -

S'assurer du bon choix du joint (qualité, 0, série, sans défaut)

2-

S'assurer que les écrous fonctionnent librement et sont graissés

3 -

Mettre le joint en place, s'assurer qu'il est centré (après avoir approché les brides laissant un espace égal à environ 2 fois l'épaisseur du joint)

4 -

Mettre les tiges ou boulons supérieurs et les approcher en les équilibrant et face d'écrou usiné côté bride

5 -

Procéder au serrage d'approche en croix tout en contrôlant, parallélisme, concentricité, centrage du joint

6 -

Serrer en croix à environ 30 % du serrage définitif (contrôler P, C centrage du joint)

7 -

Serrer en croix à 70 % du serrage définitif (contrôler P, C centrage du joint)

8-

Procéder au serrage définitif en croix (contrôler P, C centrage du joint)

9-

Reproduire le serrage jusqu'à obtenir une résistance égale à tous les écrous

10-

Tournée du patron pour contrôler que tous les écrous ont été serrés et sonder si nécessaire les écrous

Nota : Si le tirage des tuyauteries est trop important, ne pas remonter, informer la hiérarchie. 6 - 7 - 8 - 9 - 10 peut s'effectuer à la clef dynamométrique . C 1997 ENSPM Formation Industrie

-FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

Risques et Précautions liés au Matériel

-

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ TUBES - BRIDES - JOINTS

Application A

COLLECTEUR BP VERS SURCHAUFFEUR

Le schéma ci-dessus représente les principaux éléments d'un réseau vapeur utilités . II est constitué - d'un collecteur de vapeur MP 12 bar provenant de la chaudière G01 - d'un collecteur de vapeur BP 4 bar pour stripping alimenté " d'une part, par un générateur de vapeur BP " d'autre part par l'échappement de la turbine PT 110

La pression de ce collecteur est régulée par deux vannes automatiques une vanne de détente MP --> BP commandée par la PIC 3 - et en cas d'excédent vapeur, par la PICV 4 dont la position fait varier le niveau dans le condenseur noyé E 110 -

Les condensats provenant de cet appareil et des purgeurs sont récupérés dans un collecteur. Le joint amont de la vanne d'isolement MP de la turbine vient de lâcher . Une réparation sans arrêt du collecteur 12 bar n'est pas réalisable . Celui-ci à une longueur de 200 mètres en 6" schedule 80 . Les brides sont de série 30"0 . Décrire les manoeuvres - de mise en sécurité du collecteur MP - puis de remise en service du collecteur et de tous les auxiliaires Ce document comporte 1 page

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2616/1995

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Risques et précautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ ROBINETTERIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

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I-

LES ROBINETS . . ... ... . ... ... . ... . .. . ... ... . .. . .... .. . . .. . . ... . ... . ... . .... ... . .. . . ... .... . ... . .. . . ... . . .. . ... . ... . . .. . .... . ... .1 1 2 3 4 5 6 7 8

II -

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Les robinets-vannes ...... .... .... ... .... .... ........ ... . ... . . . ....... .... ... . ... ... ... .... ....... .... ... ... .... ... ... ... ... . ... ... ... ... . ... ......... i Les robinets à soupape ... ....... . ... .... .... .... . ... ... ... ... . ... ... . ... ....... ... . ... ... ....... ... .... .... ... ... ... . ... ... ... .... ... ... ....... ... .1 Les robinets à papillon .. ........ ........... ... . . . . . ... . ....... .... ... ... ... . ... ... ... .... ....... .... ... ...... . ... ...... ... . ... ... ... ... . ... .... ... .. 2 Les robinets à tournant .. . ... ........ ... ................... ... . ... ... ..., ... .............. ... ... . ... ........... ... ... ....... ... ... . ... ... ... ... . .., . 2 Les robinets à piston ...... .... ... ..... ... ........ ... .... .... ... ....... . .. ... . ... ... ........... ... . ... ... .......... .............. ... ... .... ... . .. . ... . 3 Robinets divers .. ... ........ ... .... . ... .... .... ... . ... .... .... ... ... .... ... .... . . . . ....... . . . ... ... . .. ..... ... ... . . .. ... ... . .. . ... .. . .. . ... . ... ... ... ... 3 Les dispositifs à manceuvre .. ........ ... ..... ... ... . .... ... . ...... ... .... ... ... .... .... ... ... . ... .......... .......... . ... .. ... . ... ... .... ... .... . 4 Utilisation de la robinetterie .. .... ... . ....... . ... .... .... ... ... .... ... ....... ... .... ... . ... ... ... .... ....... ... .......... . ... ... ... ..., .,. ... .., ... 4

LES CLAPETS DE NON RETOUR . . .. . ... .. . . .. . . . .. . ... . ... . .... .... . .. . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . ... . ... . .. . . . .. . . . .. .6 1 2 3 4

-

Clapets de non retour à battant .. . ... ..... ... ........ ... ... ... . ... ... ... .... ... ....... .... ... ... . ... ......... . ... ............. . ... ... .... ... ... Les clapets de retenue à levée verticale .. . .... ... ... . ... ... .... ....... ... .... ... ... . ... .... ... .... ... ... ... ....... ... ... . ... ... ... ... . ... . Les clapets de non retour divers .. .... .... ....... .... ....... ... .... ... . ... ... ... .... ... .... ... . ... .. . ... . ...... ... ... . ... ... ... ... . ... ... ... ... Précautions de montage et d'utilisation des clapets ... .......... ... .... ... .... ... .... ... .... ... ... ... . ... ... ....... ... ... ... . ... ....

6 7 7 7

III - LES PURGEURS .. . ... . ... . .. . ... . ... .. . ... . ... . .. . .. . . ... . . .. . ... .... . .. . . .. . . . . . . . . . .... .... .... . .. . . .. . ... . . ... . . .. . . .. . .... .8 1 - Les purgeurs mécaniques . . ... ... . .... ... ..... ... .... .... ... .......... ... . . .. ... ... .... ....... .... . .. . . . .... ... ... .... ... . ... ... ... ....... ... .... . 8 2 - Les purgeurs thermostatiques ..... . ... .... . ... ... . .... ... ... ... . ... ... .... ... ....... . ... ... ... .... ... .... ... .......... .... ... ...... . ... ... ... ... 8 3 - Les purgeurs thermodynamiques .. .... .... . ... ... ... . .......... .......... ... . ... ... ........... ... .... ... ... ... . ... ... ... .... ... ... .... ... . ... 8

IV - ACCESSOIRES DIVERS ... ... . .. . ... ... . ... . .. .... . .. . . ... . ... . .. . .... . ... . ... . ... ... . ... . .... .... . .. . . .. . . .. . . . .. . ... . . .. .9 1 2 3 4

-

Filtres ....... .... ....... . ... .... .... ... ... ..... ... ..... ... .... .... ... . ... ... ... .... ....... ... .... ... ... . ... ........... ... ... .... ... ... ... . ... ... ... . .. . ... .... 9 Les voyants de circulation ..... ........ ... ........ .... .... ... ... ....... ... . ... ... ... . .......... . ... ... ... .... ... ....... .... ... ... ... ....... ... .... . 9 Les obturateurs réversibles . .... ................ ... ........ ... ... .... ... ...... . ... .... . ... ... ... ... . ... ...... .... ... ....... ... ... . ... ... . ... ... ... 9 Les joints de dilatation . ... . ... ... ..... ... .. ...... .... .... ... ... . . .. ..... .. .... ... ... .... ... .... ....... . .. . ... ... .. . ... . ... ... ... ... . ... ... ... . ... ...10

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I-

LES ROBINETS La robinetterie est constituée par l'ensemble des appareils destinés à arrêter ou à contrôler le débit d'un fluide dans une ligne de tuyauterie. Le type de robinetterie utilisé est fonction du rôle à remplir : réglage du débit ou sectionnement, de la nature du fluide, des conditions d'opération. Dans un robinet, l'organe d'obturation est commandé de l'extérieur soit manuellement (volant), soit par un moteur ou servomoteurpneumatique ou hydraulique. En fonction de la nature de l'obturateur et du rôle du robinet on distingue plusieurs types de matériels .

1-

LES ROBINETS-VANNES (gate valve) - Planche 1 Ils sont constitués par un obturateur, appelé vanne, se déplaçant parallèlement aux sièges . Les robinets-vannes créent de faibles pertes de charge . Ils sont en principe inaptes au réglage de débit . Ils sont équipés d'un système d'étanchéité arrière (back-seating) destiné à réduire les fuites au niveau de la tige de manoeuvre en position ouverte . La liaison aux lignes de tuyauterie, est, en général, à brides dans les diamètres supérieurs à 2", et par liaisons vissées ou soudées dans les diamètres intérieurs à 2". A partir de 10" en PN 20 et de 18" en PN50, les robinets-vannes sont équipés de commande par engrenages afin de diminuer l'effort de manoeuvre au volant . Dans les robinet-vannes la tige de commande ne tourne pas mais elle monte ou descend quand on tourne le volant qui reste en position fixe. La tige se déplace entre deux positions extrêmes séparées d'une longueur qui correspond au diamètre de la section de passage .

2-

LES ROBINETS A SOUPAPE (Globe-valve) - Planche 2) Ils sont constitués par un obturateur appelé soupape ou clapet, se déplaçant perpendiculairement au siège. L'obturateur peut être en position fermé ou en position ouverte totale ; mais il peut également adopter toutes les positions intermédiaires, assurant ainsi un réglage du débit de fluide. L'écoulement de fluide s'effectue en chicane à l'intérieur du corps du robinet à soupape créant ainsi des pertes de charge plus ou moins importantes . Ces robinets sont théoriquement inadaptés aux fonctions d'isolement, car ils ne sont pas totalement étanches. Le raccordement aux lignes de tuyauterie, est en général à brides au-dessus d'un diamètre de 2", en-dessous la liaison s'effectue par soudage ou vissage . La fermeture s'effectue le plus souvent à contre-courant du fluide, imposant un sens de montage à ce type d'appareil . A l'ouverture le mouvement du fluide facilite la manoeuvre .

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L'écrou de tige est fixe car solidaire du chapeau, en conséquence la tige et le volant se déplacent lors des manceuvres . Dans les petites diamètres le clapet prend une forme très conique et robinet à pointeau . Pour les règlages on parle alors de très précis ce pointeau est appelé aiguille (angle au sommet très faible) . Les robinets à soupape sont équipés en général d'un système de back-seating .

3-

LES ROBINETS A PAPILLON (Butterfly valves) - Planche 3 -

L'obturateur a la forme d'un disque circulaire, se déplaçant dans un mouvement perpendiculaire à la direction du fluide. de rotation Pour les diamètres importants, le fluide pas de direction, la perte de charge est ne changeant plus réduite qu'avec un robinet à soupape par profilage du papillon, diminuer encore . On peut cette perte de charge.

On distingue deux types de robinet à papillon

les robinets à papillon non étanche Le contact obturateur-siège est du type lis sont employés dans la seule fonction métal-métal de réglage de débit les robinets à papillon étanche Le contact obturateur-siège est du type élastomère-métal Le joint élastomère est fixé soit sur le papillon, soit sur le corps du robinet, dernier cas il assure également une dans ce protection anti-corrosion du corps . Les opérations de manoeuvres de l'opercule, s'effectuent par un mouvement proche de 90° (quart de tour) . de rotation Sur petit diamètre, la man œuvre s'effectue en prise direct par l'intermédiaire les grands diamètres, cette d'un levier ; sur manoeuvre est effectuée par l'intermédiaire démultiplicateur . d'un

4-

LES ROBINETS A TOURNANT Planche 4 -

Ces robinets, appelés dans le passé d'un obturateur appelés tournant, robinets à boisseau, sont composés d'un corps et se déplaçant dans un mouvement perpendiculaire à la direction du fluide . de rotation Le corps et le tournant possèdent des orifices ou lumières qui se contrarient et se superposent à l'ouverture . à la fermeture En fonction de la forme du tournant on distingue les robinets à tournant cylindrique lumière du tournant est rectangulaire (plug valve cylindrica!),

dans lesquels la

les robinets à tournant conique (plug valve) dans lesquels la lumière est trapézoïdale . II en existe 2 types du tournant

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le type standard - petite base du tronc de cône en bas le type inversé - petite base du tronc de cône en haut Les robinets à tournants cylindrique et conique sont utilisés uniquement pour la fonction sectionnement . -

les robinets à tournant sphérique (Bail valve) dans lesquels la lumière du tournant est circulaire.

Ce dernier type de robinet à tournant, remplace de nos jours, de plus en plus, les robinets à tournant cylindrique ou conique . La manoeuvre d'ouverture ou de fermeture est réalisée par l'intermédiaire d'un levier quart de tour jusqu'au diamètre de 4" et par démultiplicateur au-dessus . La liaison aux lignes de tuyauterie s'effectue par brides pour les diamètres au-dessus de 2" et par embout à visser pour les diamètres inférieurs à 2". Quelquefois, pour les robinets à tournant sphérique cette liaison est réalisée par un montage entre brides . Les robinets à tournant sphérique peuvent assurer les rôles de sectionnement et de réglage de débit.

5-

LES ROBINETS A PISTON (piston valve) - Planche 5 Ces robinets se rapprochent des robinets à soupape . L'obturateur est un piston cylindrique se déplaçant perpendiculairement au sens de circulation du fluide. Ce piston en masquant plus ou moins les lumières aménagées dans la lanterne, permet le réglage du débit de fluide. II est caractérisé par l'absence d'un siège, l'étanchéité étant réalisée par l'intermédiaire de 2 rondelles souples et interchangeables placées de part et d'autre d'un anneau, appelé lanterne. La fermeture s'effectue à contre courant du fluide imposant un sens de montage à ce type d'appareil. Le raccordement aux lignes s'effectue généralement par liaison à brides . La nature des matériaux constituant les rondelles d'étanchéité, limite à 350°C l'utilisation de ce type de robinets .

6-

ROBINETS DIVERS - Planche 6 - Robinet

à membrane

Dans ce type de robinet, l'obturateur est une membrane souple insérée entre le corps et le chapeau du robinet . La fermeture ou l'ouverture sont réalisées par déformation de la membrane, sous l'action de la tige de commande . L'avantage de ce système est d'isoler le mécanisme de commande du fluide, et de supprimer le presse-étoupe . - Robinet à soupape inclinée C'est un robinet à soupape dont la direction de déplacement de l'obturateur est inclinée par rapport au sens de circulation du fluide, de façon à limiter les changements de direction du fluide et donc à réduire les pertes de charge.

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7-

LES DISPOSITIFS A MANCEUVRE - Planche 7 Afin de faciliter la manoeuvre de robinets placés à un niveau élevé, on utilise un volant à chaîne . Pour les vannes dont le volant est situé à un niveau bas, la commande peut s'effectuer par l'intermédiaire d'une tige d'extension . Sur les gros robinet-vannes, la manoeuvre peut être effectuée par l'intermédiaire d'un renvoi d'angle, lorsque l'effort est trop important on utilise une commande par réducteur ou par servo-moteur parfois équipé d'un indicateur de position.

8-

UTILISATION DES ROBINETS a - Montage Vérifier -

que les bouchons de protection sont enlevés que le sens de montage est respecté pour les robinets à soupapes et les robinets à piston .

L'axe du volant ou du levier de manoeuvre doit être vertical et situé au-dessus du corps du robinet .

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aaL- dessu,s La position verticale, axe en dessous, est interdite pour des raisons de sécurité évidente car toute fuite le long de l'axe s'écoulera sur l'utilisateur si le robinet est situé en hauteur .

b - Manoeuvre " Robinets vanne et robinets à soupape A la fermeture du robinet : fermer l'opercule modérément, puis ouvrir légèrement cet opercule, afin de réaliser un court laminage entre le siège et l'opercule pour assurer un auto-nettoyage de ce siège . Puis fermer complètement l'obturateur . En règle générale, il faut éviter de bloquer à fond un robinet à l'aide d'une clé de manoeuvre ou d'un levier. Une telle manoeuvre entraine un "collage" ou un marquage des sièges et de l'opercule rendant le robinet fuyard . Ceci est particulièrement vrai dans le cas d'opercules doubles qui se positionnent mal, si l'on force sur le volant, entrainant une fuite systématique du robinet .

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L'utilisation de certains robinets, tels que les robinets-vanne équipés de volant à choc (ROCKWELL par exemple) n'obéit pas à ces règles . A l'ouverture du robinet : ouvrir l'opercule totalement jusqu'à sa position de butée. Dans ce cas de commande par tige filetée et volant, après manoeuvre, fermer l'opercule d'un quart de tour afin de dégager le filetage et ne pas rester coincé en position d'ouverture . Ne pas oublier que la difficulté pour ouvrir un robinet vanne n'est généralement pas due à un défaut mécanique mais à la différence . de pression amont-aval exercée sur l'opercule . Avant d'utiliser une clé à vanne (avec rallonge !) essayer d'équilibrer les pressions . Robinet à piston Les robinets à piston ne comportent pas de siège, il est inutile de les bloquer lors de la fermeture car l'étanchéité ne peut pas être améliorée . Ne jamais forcer le dispositif de manoeuvre de l'opercule qui peut se trouver bloqué par un objet étranger . " Robinet à membrane La fragilité de la membrane implique un serrage au volant correct à la fermeture . " Robinet peu utilisé II est important d'effectuer, dans la mesure du possible une manoeuvre, même partielle, de l'opercule des robinets dont l'usage est peu fréquent . Ceci pour vérifier le bon fonctionnement éventuel du robinet en cas de besoin . Lubrification Après nettoyage, lubrifier les écrous et les tiges de manoeuvre, les engrenages pour diminuer les effets lors des opérations d'ouverture ou de fermeture avec des graisses adaptées . Pour les robinets à tournant lubrifié, s'assurer que celui-ci est garni de lubrifiant. Tenir la tige de poussée suffisamment fermée sans excès, et ne pas graisser plus souvent que ne le demande le constructeur. c - Étanchéité ® Fuite au joint du chapeau : resserrer légèrement en service la boulonnerie, symétriquement .. Si la fuite persiste faire appel à une Société spécialisée dans le "colmatage des fuites en marche " (exemple : FURMANITE) ou faire démonter la vanne .

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" Fuite à la garniture (presse-étoupe) On ne laissera jamais fuir une garniture ; en effet, toute fuite qui persiste dégrade la vanne irrémédiablement et peut aboutir à l'arrêt de l'installation ou à un accident .

Resserrer légèrement les garnitures en service si besoin est, par action alternée tiges filetées et fixation de la bride fouloir sur les . Il est important que le fouloir ne dans son logement d'une profondeur pénètre pas supérieure à 2 anneaux de tresse . Si la fuite persiste, elle peut être réduite par le dispositif de back seating, (àpouvoir opérer robinet grand ouvert) afin condition d'éviter une érosion de la tige de manoeuvre de niveau de la garniture . au Ne jamais "recharger" une garniture en s'appuyant sur ce dispositif, les risques sont importants . encourus " Fuite en ligne

Seuls les robinets à piston permettent de réduire et même d'arrêter, par une fuite interne en ligne . action extérieur, II suffit de serrer le fouloir extérieur ce qui entraine successivement : l'écrasement des rondelles d'étanchéité supérieures, le coulissement de la lanterne, l'écrasement des rondelles inférieures améliorant l"étanchéité

Cette opération est à effectuer robinet fermé. II -

sur le piston .

LES CLAPETS DE NON RETOUR Les clapets de non retour sont des organes de robinetterie possédant un obturateur les mouvements ne sont asservis qu'au libre, dont sens de circulation du fluide, et à son débit. conception, ceux-ci ne laissent passer le fluide De part leur que dans un sens prédéterminé?t conséquence leur montage est imposé par le en sens de circulation des fluides. 1 CLAPETS DE NON RETOUR A BATTANT Planche 8 Ils sont constitués par un corps comportant un siège et un obturateur libre, appelé battant articulé autour d'un axe situé très au-dessus du centre de gravité de l'obturateur sorte que sous son propre poids celui-ci de telle vienne se plaquer sur son siège. La levée l'obturateur s'effectue sous la poussée de développée par la circulation du fluide.

Utilisés en général pour des diamètres supérieurs à 2", ils sont raccordés à la ligne tuyauterie par une jonction à brides . de Ce type d'appareil est employé sur canalisations horizontales et verticales, dans cas le sens de circulation du fluide doit ce dernier être dirigé du bas vers le haut . Sur les clapets de non retour de grand diamètre, on peut diminuer "l'à-coup" à en équilibrant le battant par un contre la poids extérieur, ou l'amortir par un frein fermeture appelé dash-pot (planche 9) . hydraulique

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4X 2-

LES CLAPETS DE RETENUE A LEVEE VERTICALE - Planche 9 La conception de ce type de clapet de non retour appelé aussi clapet a piston est identique à celle des robinets à soupape, l'obturateur étant guidé dans son mouvement de levée à' l'intérieur de l'appareil . Ils sont utilisés sur les circuits vapeur et lorsque les fréquences d'ouverture et de fermeture sont assez grandes car ce système est plus résistant que le clapet à battant . Selon leur diamètre, les raccordements sont à brides ou vissés ou socket welding .

3-

LES CLAPETS DE NON RETOUR DIVERS - Planche 9 -

Clapet à bille ou à boucle, clapet à piston Ce type d'appareil est identique au clapet de retenue à levée verticale, mais l'obturateur est remplacé par une bille, une boule ou un piston Clapet sandwich C'est un clapet à battant dont l'encombrement, réduit au maximum, permet le montage entre brides et contre-brides . Clapet à double battant (duo-check) Le battant est constitué par deux demi-battants articulés dans l'axe de la tuyauterie, la fermeture est facilité par l'action d'un ressort . Clapet de pied crépiné Ils sont destinés à maintenir en charge la ligne d'aspiration d'une pompe, dans une capacité située à un niveau inférieur. Leur conception est celle d'un clapet de retenue à levée verticale, dont l'orifice d'entrée est muni d'une crépine . Le clapet peut dans certains modèles être remplacé par une bille.

4-

PRÉCAUTIONS DE MONTAGE ET D'UTILISATION DES CLAPETS S'assurer que le clapet est correctement mis en place sens de circulation du fluide repérable par des indications sur le corps (flèche habituellement) position verticale ou horizontale suivant le type. Un montage erroné, peut rendre le clapet totalement inopérant en cas d'inversion du fluide .. Vu de l'extérieur, il n'est pas toujours évident de déterminer le type de clapet et donc de vérifier la position correcte de montage . La documentation du fabricant peut être précieuse dans ce cas.

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i

Eviter le battement des clapets leur ouverture ou leur fermeture trop brutale (coup de clapet) Les risques possibles de déformation, de détérioration du siège peuvent diminuer fortement l'étanchéité du clapet et même entraîner des bloquages . Ne pas faire confiance à un clapet pour assurer un isolement étanche au retour fluides. Ne jamais travailler à "l'abri" d'un clapet, des utiliser au minimum une vanne d'isolement .

III -

LES PURGEURS

Dans les circuits de vapeur, les purgeurs ont pour rôle d'éliminer automatiquement l'eau condensats. Cette opération doit être réalisée sans condensée ou qu'il y ait perte de vapeur.

On distingue une grande variété de purgeurs.

1 -

LES PURGEURS MECANIQUES -Planches 10 et 11 -

La planche 14 montre un purgeur à flotteur fermé, la planche 15 un purgeur ouvert inversé . Ces purgeurs fonctionnent à flotteur en utilisant la différence de densité entre la vapeur. Ils s'ouvrent en présence d'eau l'eau et et se ferment en présence de vapeur flotteurs. grâce-aux

2-

LES PURGEURS THERMOSTATIQUES - Planches 12 et 13 -

Les purgeurs de cette famille s'ouvrent ou se ferment en fonction de la température qui règne à l'intérieur du purgeur. Les purgeurs thermostatiques séparent donc l'eau de la vapeur par différence de température . La planche 16 montre un purgeur thermostatique à dilatation de métal. La planche 17 présente un purgeur thermostatique commandé par un soufflet qui s'allonge sous l'effet de la dilatation du gaz qu'il contient .

3-

LES PURGEURS THERMODYNAMIQUES Planche 14 -

L'organe principal est un simple disque soulevé quand arrive de l'eau ou un mélange vapeur . Ce disque se colle sur son siège au eaucontraire quand arrive de la vapeur seule . dernière en effet franchit en petite quantité Cette l'obstacle du disque et exerce alors par le une force pressante supérieure à celle haut qui agit sur la face inférieure du disque . La pression au-dessus s'exerce en effet sur toute la surface du disque alors que celle en-dessous s'applique que sur une section réduite . ne

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IV - ACCESSOIRES DIVERS 1-

FILTRES - Plancha 15 Ils sont de plusieurs types filtres montés directement dans la tuyauterie : chapeau chinois, trapézoïdal filtre cartouche pour les petits diamètres 0 < 2" filtre panier monté sur la tuyauterie pour les gros débits fltre en dérivation dans un té Ces filtres sont caractérisés par leur coefficient de passage qui doit toujours être supérieur à 3. surface des videsfu filtre Coefficient de passage = section droite intérieure de la tuyauterie Les filtres sont le plus souvent installés en amont des pompes et des purgeurs pour les protéger des corps étrangers qui pourraient les détériorer . Ils sont dits temporaires s'ils restent en place uniquement pendant la mise en marche d'une installation . Ils sont dits permanents s'ils restent en place pendant toute la durée de vie de l'installation . Les filtres doivent être surveillés périodiquement . Les petits filtres sont démontés et nettoyés régulièrement, l'état d'encrassement des plus gros filtres peut généralement-être suivi par un indicateur de pression différentielle entre l'amont et l'aval du filtre .

2-

LES VOYANTS DE CIRCULATION - Planche 16Ils permettent d"observer la circulation du fluide dans la tuyauterie . On les trouve souvent sur lés retours de condensats des purgeurs et sur les circuits de réfrigération et de lubrification des grosses machines .

3-

LES OBTURATEURS REVERSIBLES - Planche 16 Placés entre deux brides, ils ont deux positionspossibles . Dans l'une ils laissent passer le liquide, dans l'autre position ils arrêtent la circulation . On les utilise chaque fois que l'on veut isoler un tronçon de tuyauterie avec certitude qu'il n'y aura pas de fuite. Les joints "Hamer" se montent sur la tuyauterie comme un robinet à souder en bout et permettent une manoeuvre rapide de l'obturateur . II suffit pour cela de desserrer la bride, de basculer l'obturateur, et de resserrer la bride . On les trouve essentiellement sur les tuyauteries sous contrôle douanier. Les joints "ONIS" permettent une manoeuvre encore plus aisée par simple manipulation d'un levier qui écarte ou resserre les deux fiasques en contact avec le joint.

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10

4-

LES JOINTS DE DILATATION - Planche 16 Ils permettent d'absorber des désormations axiales ou radiales ou des rotations lorsqu'une tuyauterie travaille à forte température . On les utilise chaque fois que la souplesse naturelle de la tuyauterie ne permet pas d'absorber les efforts provoqués par les dilatations .

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enspm FORMATION INDUSTRIE

ROBINET VANNE - à passage direct

-

bac.k Star .,,

1

Corps

2

Chapeau boulonné

3

Coin

4

Sièges

5

Tige

6

Douille de manoeuvre

7

Fouloir

8

Bride de

fouloir

Bague de

butée

9

10

Boulonnerie

11

Garniture

12

Joint de chapeau

13

Volant

-Planche 1 © 1994 ENSPM Formation industrie

enqpm

12

FORMATION INDUSTRIE

ROBINETS A SOUPAPE

1 2

Corps

Chapeau boulonné

3

Clapet

4

Siège

5

Ecrou de clapet

6

Tige

7

Ecrou de tige

8

Bride de

9 10 11

Fouloir

Fouloir Garniture

Bague de butée

12

Joint de chapeau

13

Volant

14

Boulonnerie

- Planche 2 O 1994 ENSPM Formation Industrie

D

enspm

13

FORMATION INDUSTRIE

ROBINET À PAPILLON

Poignée de Levier

blocace

de manoeuvre

Rondelle d'appui Joint Papillon Fixation papillon Garniture Corps Axe Joint

Montage entre brides

Corps de vanne

Corps muni de brides

Principes fondamentaux d'étanchéité - Planche 3 -

O 1994 ENSPM Formation Industrie

EnSPM e

14

FORMATION INDUSTRIE

ROBINET À TOURNANT

1 2 3

4 5

6 7 8 9 10

Presse-étoupe

3

Garniture

Joint de couvercle Diaphragme

Vis d'injection

Clapet

4 11

Corps

12

Tournant Rainure de distribution Bille

13 14 15

15

~14

Siège Contre-grain Couvercle Vis de

Chapeau

A tournant conique inverse

A tournant conique

A tournant sphérique

A tournant cylindrique - Planche 4 -

© 1994 ENSPM Formation industrie

poussée

m

D 1o,

15

FORMATION ,r INDUSTRIE

ROBINET À PISTON

ROBINET A PISTON

Nomenclature des pièces

1

Corps

2

Bague entretoise

3

Partie supérieure

4

Volant

5

Rondelle

étanchéité

supérieure

6

Rondelle

étanchéité

inférieure

7

Lanterne

8

Piston

9

Tige filetée

10

Gonjons

11

Ecrou de goujon

12

Ecrou de volant

13

Rondelle de

14

Noix

15

Rondelle

16

Goupille

- Planche 5 © 1994 ENSPM Formation Industrie

volant

taraudée belleville

16 FORMATION INDUSTRIE

ROBINETS DIVERS

A membrane

A soupape inclinée

- Planche 6 © 1994 ENSPM Formation Industrie

FORMATION INDUSTRIE

DISPOSITIFS DE MANCEUVRE DES ROBINETS

Ti ge d'extension simple

Vol ant

Commande par renvoi d'angle

Commande par servo-moteur avec indicateur de position

- Planche 7 O 1994 ENSPM Formation Industrie

18

FORMATION INDUSTRIE

CLAPET DE NON RETOUR - à battant -

Nomenclature des pièces 1 2

Corps

Couvercle

3

Siège

4

Clapet

5

Battant

6

Axe de battant

7

Joint

8

Ecrou de du

9

fixation

clapet

Boulonnerie'

-Planche 8 1994 ENSPM Formation Industrie

19 FORMATION INDUSTRIE

CLAPETS DE NON RETOUR

de retenue à levée verticale

à bille

à double battant

crépine

à battant équipé de contre-poids et d'un dash pot sandwich

- Planche 9 © 1994 ENSPM Formation industrie

20 FORMATION INDUSTRIE

PURGEUR MÉCANIQUE - à flotteur fermé -

au repos : purgeur vide , clapet fermé . au démarrage : l'eau accumulée dans les corps de chauffe et dans les tuyauteries passe dans le purgeur . . .

-

. . . soulève le flotteur : le clapet s'ouvre ; la vapeur arrive ensuite et chasse l'eau, le flotteur redescend . le clapet se referme .

Planche 10 -

© 1994 ENSPM Formation Industrie

21 FORMATION INDUSTRIE

PURGEUR MÉCANIQUE - à flotteur Inverse -

au repos : clapet ouvert, cloche au fond . au démarrage :l *eau de condensaLion accumulée dais les installations passe du purgeur dans les collecteurs de purges . . .

I.

la ._peur arrive sous la cloche, chasse J 'eau et la rempiit .l a cloche allégée remonte et ferme le clapet . . .

~

, . . la vapeur n'étant plus renouvelée sous la cloche elle se condense, le niveau monte dans la cloche qui retombe et ouvre leclapet

l'air et les gaz incondensables sont évacués par l'évent

- Planche 11 9 1994 ENSPM Formation Industrie

22

D

FORMATION INDUSTRIE

PURGEUR - dispositif de commande -

WI W

E

W Î~ W 1 W Ô Wiz CIO W IH Uiu

=ia 0 I cc W lH W

F eC z >I_ O~N W Îd QI cc I OI

r

LAME à FORTE DILATATION LAME è FAIBLE DILATATION

BIMÉTAL OBTENU PAR LAMINAGE FROID

DISOUES MONTES PAR EN OPPOSITION

PAIRES

CHAUD

inversée (a) sur laquelle sont Le dispositif de commande du purgeur est constitué par une soupape ceux-ci étant séparés par des (b), montés les disques bimétalliques disposés par paires entretoises (c) . entre deux points Ces disques coulissent librement sur la tige de soupape (d) en se déplaçant blocage de la tige de la un écrou de l'un fixe, la base de l'étrier (e), l'autre mobile, constitué par soupape (F) . La position de l'étrier est commandée par une vis de réglage (g) . débouchant dans Le siège de la soupape (h) est formé d'une douille percée de trois ouverture (i) condensée . un canal central (j) et assurant l'évacuation de l'eau pression de la vapeur et de Le fonctionnement de ce purgeur est basé sur l'action simultanée de la déplace sous l'action de d'eau se la température de l'eau condensée . La soupape d'évacuation deux forces opposées une force d'ouverture, la pression qui s'exerce sur cette soupape une force de fermeture, la traction exercée par les disques bimétalliques sous l'influence de la température - Planche 12 © 1994 ENSPM Formation industrie

23 FORMATION INDUSTRIE

PURGEUR THERMOSTATIQUE ÉQUILIBRÉ

au repos : purgeur ouvert . au démarrage : l'eau de condensation . poussée par la va eur remplit le purmesure que les geur et -'-coule .

condenses s'échauffent le thermostat ferme la soupape Quand la vapeur arrive la soupape se ferme complètement .

La vapeur contenue dans le purgeur se condense, le refroidissement provoque l'ouverture de la

soupape .

- Planche 13 O 1994 ENSPM Formation industrie

enspm

24

FORMATION INDUSTRIE

PURGEUR THERMODYNAMIQUE

l'eau et l'air arrivent par B . . . pendant que la pression s'esoulevent le disque A et r'échap'- lève dans la chambre F . . . pent j par E ; la vapeur succède et sa grande vitesse crée sous le disque une dépression locale . . .

le disque retombe ; la pression dérroZ dans F par suite de la condensation , le disque va se soulever a nou.eau . . . ...

- Planche 14 © 1994 ENSPIVI Formation Industrie

OF

ens ]ÎÎÎ

25

FORMATION INDUSTRIE

fi1L-t~ Montés enk,tZ A - Filtre chapeau chinois

bliam A - Filtre trapézoïdal

Ernkti"

B - Filtre à cartouche

C - Filtre panier

Détiuakion em coupe

D - Filtre dans un té

FaL-Le

Enseanbte monb~ p uxg mt

IIY

Awank pompe

Aecmt ptm.geuiE - Montage des filtres - Planche 15 -

O 1994 ENSPM Formation Industrie

enspm ^_

26

FORMATION INDUSTRIE

VOYANT DE CIRCULATION - OBTURATEURS - JOINTS DE DILATATION

J o i.m~ "ON15"

gi=e A - Voyant

de

circulation

Loe~g

00

impowpom" coupe axiale

enn.a-9

type HAMER

B - Obturateurs

Anti ras1aiiorL

awsaaux da n.eMFoti: pout,g&ands dàMrtébtes et p't-Usions é1yv%~ Joint isolé du fluiâa Joint t.en-Anr-i

R.zI:axLZ

Joint coulissant C - Joints

de

dilatation

- Planche

16 -

- © 1994 ENSPM Formation Industrie

M EMSP FORMATION

Risques et Précautions liés au Matériel

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ

INDUSTRIE

Ingénieurs en Sécurité S Industrielle

I

-

MATÉRIEL DE PROTECTION CONTRE LA PRESSION t{:v

u^Ff+:

:vl::

SOUPAPES DE SURETE . . .... . ... . .... .... ... ... . .. . . . . . .... .... . ... . ... . ... . .... . .. .. .... . ... . .... . . .. . .. ... . .... . . ... . .... . .. 1 Soupapes conventionnelles .... ... ............, . ....,... .... ... .......... ... .... ... . .. ... ... ... .... ... ... ... ... . ... ... . . . . . ... ... ... ... ... ... ... ...1 Soupapes équilibrées .... .... ... ... ... .... .... ...............,.. .................. .. ............ . ... ... ... ... . ... ... ..... ... ... ... ... ... ... ... ... ..... 7 Soupapes pilotées .................. ... ........,....., ... .... .... ... .... ...... ... ... ..... . . .. . ... ... ... . ...... ... ... ....... .. . ..  . .".... ... ... ... ... ...9 Soupapes jumelées .. ..... . ... ... ... ... . ... ... ... . ... ......... ... .... ... ... ....... ... ... . ... ... ... ... ... ... ............... ... ...... ... ... ...... . ... ..12 Utilisation des soupapes . ... ... ... ... . ... ... ........ .. .. .... ...... .... ... ... ... .-.. ... ... ... . ........... ....... ... ... ... ... ...,. . .. . . .. ... ... ......12

II -

DISQUES DE RUPTURE ... . . .. . . .. . . ... . . .. . ... ... .... . ... ...-. .. . . .. . . ... . . ... . .. . . . . .. . ... . . .. . . ... . .... . .. .. . . .... . ... . . .. .16 Rôle des disques de rupture ......... ... .."" .... .... .... ... ... ... .... ... ... ... .... ... ... ... ... . ......... ........... .... ... ... ...... ...... . ..... . 16 Différents types de disques .. ...... . ... ........ ... .... .... ... .... ... ... .. . ... . ".. ... ... ... . .". ... ... ... ... ....... ..... . . . . .. .. . ... ... ... ... .... .. 20 Utilisation des disques de rupture ..... ..". ... ..... ... ... . . .. .. ... . ... . ".. ... ... ... .... ... ... ... ........... . . .. . . ., ... ... ..... ... ... . ... ... ... . 21

EQUIPEMENTS DES BACS A TOIT FIXE. . ... . ... . ... . .... . ... . ... . .... . ... . . ...

III 1 2 3

-

. . ... . .... . .... . . .. . . .... . .... . .. 22

Events . .... . . . ................... ....... ... ...... ... . ....... .. ...... ..., ... ....... ... ... ....... ... ... ............ ... ... ...... . . ..... ..... ... .... ... ... ... ... .22 Soupapes de respiration .. ... . ... .... .. . .. . ....... .,.. .............. ... . ... ...... ... . ..... ... ... .. . ... .... ...... ... . ..... ... ... ... ... .."...........22 Arrête-flammes ...... . .. . .. . ... ... .... ... ... ... .... ........ .............. ... .. . ....... . .. . . . . .. ... ... ... .... ... ...... ... . ... ..... ... ... ... ... ........... 24

Ce document comporte 25 pages

©1994 ENSPM Formation Industrie

20/6/1995

Rev . 1 j

I-

SOUPAPES DE SURETS Toute capacité isolable est protégée contre un excès de pression par une ou plusieurs soupapes de sûreté limitant sa pression interne en cas de problèmes dus au procédé (suremplissage, produit de pression de vapeur plus élevé que la normale, excès de pression dû à la présence d'incondensables, faute opératoire, incident, .. .) en cas d'échauffement anormal dû à un incendie . Ces deux fonctions peuvent être accomplies soit par un même groupe de soupapes, soit par deux groupes distincts de soupapes (soupapes d'exploitation et soupapes de sécurité incendie) . II existe plusieurs types de soupapes les soupapes conventionnelles les soupapes équilibrées les soupapes pilotées

1 - SOUPAPES CONVENTIONNELLES a - Description Les soupapes conventionnelles se composent d'un corps en acier moulé équipé de deux jonctions : l'une reliée en amont vers l'équipement à protéger, l'autre vers le réseau évacuant la surpression soit vers l'atmosphère, soit vers un réseau de torche . Sur ce corps est monté un siège et un ensemble de bagues de réglage . d'un chapeau qui ferme le corps et transmet l'effort antagoniste sur le clapet . Cet effort est produit très souvent par un ressort, quelquefois par un contrepoids ou une barre de torsion . -

d'un équipage mobile constitué par le clapet, la tige et le ressort, ainsi qu'un ensemble de tarage de la pression d'ouverture de la soupape .

Le ressort est réglé de façon à maintenir la soupape fermée tant que la pression ne dépasse pas la pression de calcul Pc de l'équipement protégé . Cette pression de début d'ouverture de la soupape est aussi appelée pression de levée ou pression de tarage . Lorsque la soupape décharge l'équipage mobile et le chapeau sont, par construction, en contact avec le fluide évacué .

Soupape en position ouverte © 1994 ENSPM Formation Industrie

Le fluide exerce une pression en-dessous du clapet, imposant par là un sens et une position de montage à respecter. La figure ci-dessous conventionnelle

montre

les éléments constitutifs d'une soupape de

sureté

Soupape de sureté conventionnelle (d'après doc SARASIN)

©1994 ENSPM Formation Industrie

i

D b - Fonctionnement Le diagramme suivant illustre le fonctionnement d'une soupape conventionnelle à ressort . ô ZO w- cdaWYc ~oo ao 6o 40 20 U ° --tiC)%

~ u-t,e

I-~-

M 1 a-Imm M r

a P1

-

-8%

-6l

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P'Less.Ln n d.e t~age,

Diagramme d'ouverture du clapet en fonction de la pression II existe trois cas de positionnement possible La soupape est fermée

Le clapet est appliqué sur son siège sous l'action en particulier de la force de tarage du ressort . La pression de l'équipement protégé s'exerce sur la surface exposée du clapet.

La soupape s'ouvre

Lorsque la pression de tarage est atteinte, le clapet quitte l'appui sur son siège . La pression croît légèrement, un flux s'échappe vers le haut et occasionne une réaction sur toute la surface du clapet provoquant une brusque levée du siège sur environ 50 de la course . ©1994 ENSPM Formation Industrie

DI La soupape est ouverte Si la pression continue à augmenter, la soupape s'ouvre totalement . Une soupape à ressort nécessite jusqu'à 10 % de surpression pour atteindre sa pleine levée . La pression diminuant, le clapet reprend sa position intermédiaire pour la conserver jusqu'à une pression inférieure à la pression de tarage . Cet écart de pression entre la pression de tarage et la pression de fermeture est appelé écart de pression à la fermeture ou Blow Down .

Les bagues de levée et de réglage permettent d'obtenir une ouverture franche et de régler la pression de fermeture à une valeur située entre 5 % et 7 % en-dessous de la pression de tarage . .

c - Tarage du ressort Le tarage du ressort dépend bien entendu de l'équipement protégé mais aussi de la pression en aval de la soupape . Lorsque la soupape décharge à l'atmosphère ou dans un collecteur à la pression atmosphérique, la force FR exercée par le ressort est réglée pour être identique à la force Fc (égale au produit de la pression de calcul P c par la surface S exposée du clapet) .

P

atm .

©1994 ENSPM Formation Industrie

-94D

- Lorsque la soupape décharge face à une contre-pression PA (pression du collecteur aval, ou contre-pression due à l'écoulement du fluide, celle-ci s'oppose à l'ouverture du clapet et modifie la pression de tarage due au ressort .

Contre pression PA

Si la contre-pression est constante, on en tient compte lors du tarage du ressort en diminuant d'autant la force qu'il exerce . Si la contre-pression n'est pas constante, la pression d'ouverture est alors variable. II en résulte que le système protégé peut être soumis à des contraintes excessives lorsqu'il se trouve dans des conditions accidentelles . Généralement, lors de la conception d'une installation on considère que la contrepression maximale admissible est égaie à 10 % de la pression de tarage .

d - Soupapes sur circuit vapeur d'eau Les soupapes de sûreté installées sur les réseaux de vapeur d'eau sont munies d'un levier de décharge manuel permettant d'annuler l'action du ressort sur le clapet. Ce système peut parfois équiper des soupapes installées sur des fluides encrassants . La figure ci-après montre les éléments constitutifs d'une soupape de sureté avec levier de décharge manuel installée sur un circuit de vapeur d'eau .

©1994 ENSPM Formation Industrie

Soupape de sureté avec levier de manoeuvre sur circuit vapeur d'eau (D'après doc. SARASIN)

©1994 ENSPM Formation Industrie

D 2 - SOUPAPES EQUILIBREES De conception identique aux précédentes, supplémentaire qui

ces soupapes comportent un soufflet

protège le ressort et l'ensemble mobile supérieur de l'action corrosive ou encrassante du fluide avec lequel la soupape est en contact élimine l'effet des contre-pressions variables à l'aval La section efficace du soufflet est sensiblement égale à la surface du clapet sur la base et annihile donc les effets de la contre-pression sur la pression de tarage .

Détail équilibrage sauf ï a~

L'intérieur du soufflet est mis à l'atmosphère par un trou percé dans le chapeau de la soupape . Cet orifice permet de décomprimer le chapeau lors des levées ou lors de changement de température . II ne doit jamais être obturé. La contre-pression ne joue plus sur l'ouverture de la soupape mais diminue le débit d'échappement et modifie les caractéristiques de fermeture . II est recommandé de limiter la valeur de la contre-pression maximale à 50 % de la pression de tarage pour les gaz et à 30 % pour les liquides. Le diagramme de fonctionnement : ouverture du clapet en fonction de la pression est identique à celui d'une soupape conventionnelle . La figure ci-après montre les éléments constitutifs d'une soupape de sureté équilibrée .

©1994 ENSPM Formation Industrie

r.

10

Soupape de sureté équilibrée (D'après doc. SARASIN)

©1994 ENSPM Formation Industrie

11

SOUPAPES PILOTÉES

3 -

Elles sont conçues pour répondre aux performances suivantes décharger effectivement à la pression de début d'ouverture sans qu'il soit nécessaire d'atteindre une valeur donnée de surpression . se refermer de façon parfaitement étanche avec un écart de pression à la fermeture (Blow Down) minimal fonctionner de façon répétée et prolongée sans opération de maintenance La page 11 explique le fonctionnement d'une soupape équipée d'un pilote à action instantanée . On y distingue deux cas de positionnement - La soupape est fermée Dans les conditions de service normales, la pression P de la capacité s'exerce sur la face inférieure S1 du piston différentiel . Par l'intermédiaire du pilote, dont le clapet est en position haute, cette pression s'exerce également sur la face supérieure S2 du piston . Du fait que la surface S2 est plus grande que la surface Si, le piston est maintenu sur son siège et la soupape est fermée . - La. soupape s'ouvre Lorsque la pression de tarage est atteinte, le clapet du pilote vient en position haute, le dôme se dépressurise à l'atmosphère et la soupape s'ouvre . Ensuite, lorsque la pression de fermeture (préalablement réglée) est atteinte, le clapet du pilote revient en position basse . La pression du système est à nouveau dirigée vers le dôme, ce qui a pour effet de faire redescendre le piston et de refermer la soupape principale. Le diagramme ci-dessous illustre le fonctionnement d'une soupape équipée d'un pilote à action instantanée . 1L lo v~ cla wVtz

. .,hzu :: J~lI~I e`

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2-

2-

4

Pqzs si .oil J-e. L- axacq, e

67.

Diagramme d'ouverture du clapet en fonction de la pression Les pilotes à action modulante équipant certaines soupapes, présentent un écart de pression à la fermeture quasiment nul . ©1994 ENSPM Formation Industrie

10

La photo ci-dessous montre la vue extérieure d'une soupape pilotée .

Vue extérieure d'une soupape pilotée (d'après doc. SARASIN)

©1994 ENSPM Formation Industrie

d'une soupape pilotée . Un schéma ci-dessous illustre le principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement d'une soupape pilotée (D'après doc. SARASIN)

©1994 ENSPM Formation Industrie

12

4-

10

SOUPAPES JUMELEES Lorsque plusieurs soupapes sont disposées en parallèle, elles sont munies d'un dispositif de sécurité empêchant de les isoler simultanément de la capacité qu'elles protègent . Cela peut être un système de serrure et de clés Sur chaque vanne existe une double serrure . Dans l'une des serrures, une clé reste toujours prisonnière, cette dernière libérée par une manoeuvre d'ouverture ou de fermeture permettra de continuer la manoeuvre . un système d'interlock mécanique : barre, . . . un système de robinet de jumelage à 3 voies (dans le cas de 2 soupapes) -

Robinet de jumelage à 3 voies

5 - UTILISATION DES SOUPAPES a - Après travaux Dans le cas d'une vérification des circuits avant le démarrage d'une installation s'assurer que toutes les soupapes ont été remontées et qu'elle correspondent à l'équipement concerné (attention aux inversions) . Les références et la pression de tarage de chaque soupape sont notées sur la plaque d'identification . ©1994 ENSPM Formation Industrie

OAF

SONATRACH DIVISION PRODUCTION DMWO 152,

Alger, le

Juillet

A Mrs . Les Chefs de Régions Le Chef de Dépt/ENC

Les Chefs de Projets Les Chefs de Divisions NOTE D'INFORMATION CONCERNANT SOUPAPA DE SURETE POUR RESERVOIRS DE GL (1)

Vous trouverez ci-après les données réglementaires concernant le nombre, la pression de tarage, la pression de calcul des débits, le débit à évacuer et la méthode de raccordement des décharges des soupapes à prévoir sur les réservoirs de G . P. L .

Ces données sont en conformité, avec :

- Le rêglement d'aménagement et d'exploitation des usines de pétrole brut, de ses dérivés résidus (reconnu et utilisé par la Direcion de la Sécurité Industrielle du M. E . 1 . C . P.) . - Les spécifications : API RP 520 API Standard 526 NFPA 58 . (1) Hydrocarbures de catégories A 2

106

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

Tout réservoir de GPL doit être garanti contre un excès de pression par des soupapes de sûreté limitant sa pression intérieure :

* Dans les conditions prévues par la réglementation des appareils à pression ; * En cas4échauffement anomal dû à un incendie .

Ces deux fonctions peuvent être accomplies soit par un même groupe de soupapes de sûreté, soit par deux groupes distincts de soupapes de sûreté (soupapes d'exploitation et soupapes de sécurité incendie) . a) Soupapes d'exploitation Ces soupapes doivent être capable de garantir les réservoirs contre les surpressions qui peuvent avoir pour origine : - Un suremplissage

- L'utilisation d'un produit ayant une tension de vapeur supérieure à celle qui a été admise pour le calcul des réservoirs .

- Un excès de pression dû à la présence d'air dans un réservoir incomplètement purgé au moment du remplissage initial.

- Une défaillance du système de voir.

régulation de pression du réser-

b) Soupapes de sécurité incendie . Ces soupapes doivent être capable de garantir les réservoirs contre les supressions ayant pour origine une élévation de températures en cas d'incendie . Il - ~CAS D'UN RESERVOIR EQUIPE D'UN GROUPE UNIQUE DE SOUPAPES . a) Nombre de soupapes 02 pour des réservoirs de capacité supérieure à 50

M3.

01 pour des réservoirs de capacité au plus égale à 50 M3.

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES MCURITE - DPISE/

10 7

b) Pression de taragg

La pression de tarage doit être de 100% de la pression maximale en service ou de la pression de calcul pour les réservoirs construits selon l'AS ME Section VIII Div . 1 . c) Pression de calcul du débit de produit à évacuer Le débit à évacuer doit être calculé à une pression au plus égale à 110% de la pression maximale en service ou de la pression de calcul pour les réservoirs construits selon PAS ME Section VIII Div. 1 . d) Détermination du débit à évacuer Le débit W (Kg/HR) est égal à = -9L Q = Quantité de chaleur susceptible d'être apportée au réservoir, en thermies /HR . L = chaleur de vaporisation du produit à la température correspondant à la pression de calcul du débit, en termies /KG . e) Raccordement des décharges des sou Chaque décharge de soupape doit être surmontée d'une cheminée d'évent d'au moins 2 mètres, conçue pour éloigner les gaz des soupapes et pout résister aux effets éventuels de réaction . L'ensemble soupape et cheminée d'évent doit être pourvu d'un dispositif d'évacuation des eaux pluviales conçu de façon à éviter, en cas de feu, l'effet de chalumeau sur la paroi du réservoir. , 111 - CAS D'UN RÉSERVOIR ÉQUIPE DE DEUX GROUPES DE SOUPAPES A FONCTIONS DISTINCTES . A) - SOUPAPES D'EXPLOITATION a)

ombre de sommes

02 soupapes au minimum b) Pression de tarage La pression de tarage des soupapes doit être de 100% de la pression maximale en service ou de la pression de calcul pour les réservoirs construits selon l'ASME Section VIII Div. 1 .

108

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SÉCURITÉ - Df'/SE/

Pression de calcul du d hit ~A Qroduits à évacuer

Le débit à évacuer doit être calculé une pression au plus égale à à 110% de la pression maximale en service ou de la pression de calcul pour les réservoirs construits selon PASME Section VIII Div . 1 . d) Détermination du débit des soupapes Le débit à évacuer par les soupapes doit être calculé conformément à la réglementation des appareils à pression . e) Raccordement des décharges des soupapes

Les soupapes susceptibles d'évacuer des produits à l'état liquide peuvent être reliées à un ballon séparateur des hydrocarbures liquides et dont l'atmosphère est en communication avec une torche . B) - SOUPAPES ŒCURITE INCENDIE a} Nombre de soupapes 02 soupapes au minimum b) Pression de tarage La pression de tarage doit être de 110% de la pression maximale en service ou de la pression de calcul pour les réservoirs construits selon l'ASME Section VIII Div . 1 . d)

bit à évacuer par une soupape Le débit W (Kg/HR) est égal à = -QL

Q = Quantité de chaleur susceptible d'être apportée au réservoir,

en thermies /HR .

.

L = chaleur de vaporisation du produit à la tempérture correspondant à la pression de calcul du débit, en termies /KG . e) Ra ccordement des décharges des soupapes A l'atmosphère - Voir Il (e) .

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE!

1 09

1111 - METHODS DE CALCUL -DE _S SECTIONS DES ORIEL CES DES SOUPAPE Formule tirée de l'API RP 520 - Part 1 - APPENDIX . C A = 1 .34

VV CP'Kb

A - Section de l'orifice en CM2

P - Pression absolue de décharge en K g CM2 A Kb - Coefficient de correction contre-pression

C - Constante fondée sur Cp/Cv .

K - Coefficient buse ASME M - Masse moléculaire du produit

T - Température absolue à l'entrée de la soupape Z - Facteur de compressibilité

W - Débit de gaz à évacuer en kg/Kr . W= -2 L - Q (th/HR) - est à évaluer forfaitairement par la formule suivante (tirée de la spécification API - RP 520) Q = 37 F . A 1.12 F -= coefficient de transfert égal à 1 pour réservoir noncalorifugé. A = surface en mètres carrés de la paroi du réservoir située à une hauteur inférieure ou égale à 8 mètres du sol pour un réservoir cylindrique, et définie, pour un réservoir sphérique, par la plus grande des deux valeurs ci-après : - Surface d'un hémisphère ( 2

r( R2)

Ou une surface extérieure de la paroi du réservoir, situé à une hauteur inférieure à 8 mètres du sol . -

L = (th/KG) est à la chaleur de vaporisation du produit à la température correspondant à la pression du calcul du débit à évacuer.

11 0

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

IV STANDARDS Le choix de la lettre de l'orifice à retenir suite au calcul de la section de l'orifice se fera conformément au tableau suivant (tiré de la spécification API Standard 526) I DESTINATIONS ORIFICES

SECTIONS EFFECTIVES

D

E F G H i K L M N

(Pouces carrés) 0,110

0,196 4307 4503 0,785 1,287 1,838 2,853 3,60 4,34

P

6,38

Q

11,05

R T

16,0 26,0

V - DISPOSITIONS COMPLEMENTAIRES

a) Contrôle ®ériodiqueAu tarage de s soupapes ne

La réglementation précise que l'exploitant fixe lui-même la périodicité de ces contrôles pour les stockages, de plus de 70 M 3 't admet un contrôle, au minimum décennal, pour les stockages in~térieurs ou égaux à 70 M3.

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

11 1

La périodicité de ces contrôles doit être définie par une consigne particulière et les travaux d'entretien et d'essais doivent être consignés sur un registre . Pour l'éxécution des opérations d'entretien, il est toléré de retirer au plus une soupape . b) Tubulure verticale de décharge pour les soupapes ayant l'échappement relié directement à l'atmosphère Nous recommanderons : - D'utiliser des tubes d'épaisseur aussi faible que possible de manière à profiter de leur flexion pour éviter de transmettre des efforts importants aux piètement lorsque le vent souffle . - De vérifier périodiquement que l'orifice pour l'évacuation des condensations ou autre humidité placé à la partie inférieure des soupapes n'est pas bouché. c) Disque de ru Lure

Il est toléré par la réglementation d'installer un disque de rupture en amont d'une soupape, celui-ci doit répondre aux conditions ciaprès : La pression d'éclatement du disque de rupture doit être garantie au plus égale à la pression de levée de la soupape . d,

Le dispositif doit être conçu pour se rompre sans projection déclat. 1

Le dispositif doit être également conçu de manière que les effets de l'éclatement du disque de rupture ne produisent pas une réduction de la section de passage en fonction de laquelle les caractéristiques de la soupape ont été calculées . e

* Lorsque le disque de rupture a pour objet de se prémunir contre les effets de corrosion ou de polymérisation du produit contenu susceptibles d'entraver le fonctionnement de la soupape, l'ensemble constitué par la soupape et le disque de rupture doit être facilement visitable .

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

-, Des dispositions doivent être prises pour que l'intervalle entre le disque et la soupape ne soit pas le siège d'une contrepression susceptible de modifier la pression de rupture du disque . VI - CAS DES SPHERES D°ALRAR (T 403 A/ B/ C)

- Le raccordements des décharges des soupapes existantes sur les sphères à une ligne torche définit , ces soupapes comme étant des soupapes d'exploitation . Pour ce conformer à la réglementation il y a lieu de considérer la protection de ces sphères rentrant dans le cas de réservoirs équipés avec deux groupes de soupapes à fonctions distinctes . 02 autres soupapes de sécurité incendie sont à prévoir sur chaque sphère.

Désignation Nombre de soupapes

SOUPAPES D'EXPLOITATION Exigences Soupages Actions à 1 réglementaires existantes entreprendre 1 BON

Pression de tarage

R. A. S

Pression de calcul du débit

R . A. S

Débit à évacuer

R . A. S

Raccordements des décharges

R . A. S

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

Désignation Nombre de soupapes

SOUPAPES SECURITE INCENDIE Exigences Soupages Actions à réglementaires existantes entreprendre 02 I 00 Installer 02 soupapes

Pression de tarage

8,25 bars

8,25 bars

Pression de calcul du débit

8,625 bars

8,625 bars

Débit à évacuer

97600 Kg/H

97600 kg/h

Raccordements des décharges

Atmosphère

à l'atmosphère avec tubulure verticale de 02 mètres .

114

RECUEIL - NOTES - CONSIGNES SECURITE - DP/SE/

DÉSIGNATION ^

NUMÉRIQUE

SA'PAG SAFETY RELIEF

DES SOUPAPES

VALVES NUMERICAL


DE

SÛRETÉ

TYPE ICONS7000POw/[LA55EI

Ô

Ô

6100 - [amenlionnalb 61' 0 -'- Lr nrp g120- HaNe Iamp6rafvn 6140 - SpaNIet .I DrePOn h-Iempdreturc le g160 - Savlllel Aeu IampKelure 6100 - 5psrfllel, plelon. ' D'" nrq 6170- Smulrlel . p~sron 6160 SouRlef. "O" rinp

5190 Soumel D"iQUERRE A RESSOflT EXPA NSION THERMIQUE . 5700 - fpnvention'ella F.m.-FSm 6786 " Comenbonnelle Mlle-Fam . go 'mg F.m.R .-F-R. . 67g 6 "O 'n, MDIa-Femelle

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AUTRES EXTRÉMITÉS OTHER CONNECTIONS

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- SÉRIE OU PRESSION NOMINALE (ANSI . AFNOR - DIN - 051 RATING (ANSI - AFNOR . DIN - BSI - FACES ET EMBOITEMENTS FACING

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EXTRÉMITÉS A ORIOES FLANGE CONNECTIONS

- CI. b! Mo. a t

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DESIGNATION NORMALISÉE DES DIAMÉTRES NOMINAUX INLET I OUTLE F NOMINAL DIAMETER

-F~C

Aa2CMh 1l A216WC86WCCA216WCRbWCC

I,a 5reinbasafeel

O/N tlan ne Tl9urent pea e cefelopus NOTA : Les perUeuludt4 de ...... replriea p., una le- .n là .. de d4 .19n .tlun . u X - pour edeptetlom ip "eb1. / Y - poor modieleaslan de -NU. / Z - pour madINceNom de D "am6Erde. . Z in 1-1 ol numoreel deagneeron indirues Additional hrear X, Y a,e61 /eemra noe N 1/le e4fs6rpue. . meehinMp. # - eddieforrel dev+ce, Y- melerial Z -

RESSORT SPRINGI« ' 1

ZlBCN .16-2 A276-r-TP

-29'1-59°C -10'Ip-75'F

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GUIDE GUIDE

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PORTE-CLAPET DISC fiOLOER

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CLAPET DISC

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13USE NOZZLf

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CiIAPEAU DONNET

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 TITRES MAllRIALS

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CORPS ROOY

CODE CODE

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ACCESSOIRES 'CCESSORrF9 A

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ORIFICE

5193

SETNICE D' OUERREAflESSORi L VEETOTALEBVSéAMOVIHIE

SAPAG

DESIGNATION

.

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Emboat i souda, Ten.d6e Sae cYlindri9os Taraudée 9 .a cdnleue FIIe16eN.P.T. Emmanchement 1 soueer

Ban w.Mhry S.-ee BSP P. srrcw.e esP ra. Scrcwad N. P.T s«rae weM.np

NOTE 1 :' Le ... .. AFNOR A 42 CM équivaut aux nuances ASTM A 216 WCB et WCC. ° Si AXem çà-, sleer ro AFNOR A42 CM -b eeupvehnr ro AS Tu GrWee A 1I6 WCB ana WCC. NOTE 2 : ° Les savpa,s roda SS e1 Ss- sont mbraefoeremenf du ty 5199 6 seufflmc. ° Code 55 and S5M salary rn//e1 valves are rmpereen.eh of 1 5190 hallow.. NOTE 3 :' Sue demande, les ressorts an ae r au . .. .. . ,avant é' udmiN. alumiwaN . nickell~. etc .~a Las nasans en acier au mn9stdne sont syst6mefiouamenf vara 'Cardon reel ,priai . cadmium, elumrnium, nick.! 'brad. . . dememda rapnea .priais .r1, spremetirelly van,.}Aad.

NOTE 4 :' Al;er au urbane f ! 230 °C - A, ;er allie 11230 'C. Cerdan eIeel 1 `450 °F - Alloy area/ 1 \ 450 'fl

ES SOUPAPES SARASIN In order to simplify the selection of STARFLOW a al service valves, use the following codification

FIRST DIGIT

Designales the valve type STARFLOW solely relief valve general service

SECOND DIGIT

P S

PREMIER CODE Désigne le type de soupape soupape STARFL0W

conventional type bellows type steam type valve up to 1" for general service thermal expansion valve

THIRD DIGIT

3 5 12 15

18 19 32 42

H1

Body b Bonnet Caps ei gaine

I

I

`I 7T

8-9% Tungsten

Désigne la construction

Stainless steel

Acier inox

Inconel

tnconef

Monel

soupape à soufflet

1,5-2% de Tungstène 8-9% de Tungstène

ill

Monet

soupape vapeur d'eau

H

soupape jusqu'à 1 "pour service général soupape expansion thermique

CI

Designates the cap construction Cap with packed lever and lest gag.

Le tableau est limité aux principales possibilités. Pour des informations plus détaillées . se reporter à la description de chaque type de soupape.

Nola All steam valves (P5 Type) are supplied with open lever and test gag as a standard

Trim7Piéces inlernes Spring Ressort

Nozzle and Disc Buse et clapet

Guide

AISI 3.16

Carbon steel Acre( au carbone

17% Cr

' Carbon sleet Acier au carbone

Ph. s t. steel Inox Ph. (1)

Carbon sleet Acier au carbone

17% Cr

CF8 stainless steel fnox CF8

AISI 316

Stainless steel Inox

AISI 304

3.5% Ni

AISI 316

Stainless steel fnox

AISI 304

Killed carbon sleet Acier carbone calmé

AISI 316

Carbon steel Acier au carbone

17% Cr

1 114 Cr 112 Me

AISI 316

Alloy steel Acier aPe

17% Cr

2 114 Cr 112 Mo

Ph . st . steel fnox Ph . (1)

Alloy steel Acier allé

17% Cr

Carbon steel Acier au carbone

Mortel

Carbon steel Acier au carbone

17% Cr

Carbon steel Acier au carbone

Hastelloy C

Carbon Steel Acier au carbone

17 % Cr

-

I

Cap with lest gag

Désigne les matières

Carbon steel ~oer au carbone

(1) Acier â durcissement structural

Désigne la matière du ressort, si ce dernier n'est pas en acier au carbone

1.5-2% Tungsten

type standard

TROISIEME CODE

The table is limited to the main varieties. For detailed information refer to each valve description .

QUA TRIEME CODE

Designates the spring material if not carbon steel

soupape service général

Designates the materials

17

FOURTH DIGIT

DEUXIEW CODE

Designates the construction

Designation

Afin de faciliter le choix des soupapes STARFLOW et celles pour service generaal utiliser la coddicalron suivante

VAL

SIZE

D

l:,

UIE E CODE

Désigne la constriction du chapeau Chapeau avec vis d'essai Chapeau avec levier étanche of vis d'essai

Nota Les soupapes vapeur (Type P5) sont fournies avec levier non étanche et vis d'essai en construction standard.

ORIFICE

DIMENSIONS ET SECTIONS

Valve inlet and outlet sizes and orifices are those shown in API Std . 526 . They are followed by the ANSI nominal inlet flange rating.

Les orifices des brides d'entrée et de sortie ainsi que les sections sorti ceux de la norme API 526. lis sont suivis de la série de pression ANS( de la bride d'entrée.

CODIFICATION EXAMPLE

EXEMPLE DE CODIRCAÔiON -! 1 1/2 F 2,,'300 P

Intel (lange A l ;'2 API orifice letter F outlet flange 2" ANSI 300 lias. inIel flange 30f? STARFLOW valve P Conventional type 3 Carbon steel body, PH . st. si . nozzle and disc 4 Tungsten spring Cap with packed lever and test gag

T F

TE

Bride d'entrée Lettre de section API Bride de sortie Bride d'entrée ANSI 300 fias Soupape STARFLOW Type conventionnel Corps en acier au carbone, buse et clapet en acier à durcissement structural Ressort en acier au tungstène Chapeau avec février étanche et vis d'essai:

13

D

Plaque d'identification d'une soupape de sureté s'assurer que la pression de levée, indiquée sur la plaque d'identification est conforme à la règlementation . Celle-ci impose si le réservoir est équipé d'un groupe unique de soupapes, la pression de levée est au plus égale à la Pression Maximale en Service (PMS) ou Pression de Calcul (PC). Application Compléter le tableau ci-dessous dans le cas de la capacité

F__

I

P Calcul = PMS

bars

P tarage

bars si le réservoir est équipé de 2 groupes distincts de soupapes (soupape d'exploitation et soupape de sécurité incendie) Les soupapes d'exploitation doivent avoir une pression de levée au plus égale à la PMS Les soupapes de sécurité incendie doivent avoir une pression de levée au plus égale à 110 % de la PMS .

Application Compléter le tableau ci-dessous dans le cas de la capacité Pression de calcul = PC = PMS

bars

Pression de levée soupapes Procédés

bars

Pression de levée soupapes incendie

bars

bars

C "" . ENSPIVI Formation Industrie

=

% PMS

14

10 1

vérifier le démontage d'éventuels étriers ou vis de blocage de la tige (mis en place sur le chapeau lors de l'épreuve hydraulique de lignes ou de capacité sans démontage de la soupape) . Ceux-ci rendraient la soupape inopérante .

v ts

ae _6lôcag o

je 'nn

LO

ca,gz

Dispositifs de blocage b - En marche normale Lorsque la soupape crache à l'atmosphère ou est située en-dessous du collecteur d'évacuation (torche, . . .) s'assurer qu'il n'y ait pas dans la tuyauterie d'échappement de condensats, de produit figé, de rouille, . . . S'il existe un trou d'évacuation (diamètre 20 mm), s'assurer qu'il ne soit pas bouché .

w

S'il existe une ligne de purge, la purger systématiquement. ©1994 ENSPM Formation Industrie

~~OD

15

Les soupapes installées sur les réseaux hydrocarbures doivent après chaque décharge subir un démontage pour nettoyage et vérification de la pression de tarage . Soupapes à levier de décharge de II est recommandé d'actionner régulièrement le levier pour s'assurer du bon état ou mécanique) . action corrosive fonctionnement de la soupape (blocage éventuel par une fuites lors de la Cette opération n'est pas évidente sur les soupapes de vapeur à cause des . décharge et des difficultés pour refermer la soupape Soupapes équilibrées Dans le cas d'une rupture du soufflet ou d'une fuite par son joint le fluide présent dans le collecteur aval s'établit dans le chapeau . D'une part l'équipage mobile n'est plus protégé de la corrosion ou de l'encrassement ; d'autre part le contre-pression éventuelle peut modifier le tarage de la soupape . Afin d'éviter les ennuis qui risquent d'en découler des vérifications fréquentes de l'état du soufflet sont indispensables . Elles doivent pouvoir s'effectuer sans dépose et sans isolement de la soupape . Le procédé le plus simple consiste à installer une ligne d'évent sur le chapeau, si le soufflet est percé, la pression du collecteur aval s'échappe à l'évent.

Un autre procédé consiste à monter en pression le chapeau par l'orifice d'évent (1 bar maximum) à l'aide de gaz inerte par exemple . Si la pression demeure constante pendant deux à trois minutes, le soufflet est considéré comme étanche . Dans le cas de contre-pressions sensibles, il existe un dispositif automatique avertisseur de rupture du soufflet, fixé à demeure sur l'orifice d'évent .

m 994 ENS PM Formation Industrie

J

16

10

La contre-pression régnant dans le chapeau repousse le piston en agissant sur sa face arrière et déclenche un contact électrique, sonore ou lumineux .

Dispositif automatique avertisseur de rupture du soufflet (d'après Doc . SARASIN)

II - DISQUES DE RUPTURE 1 - ROLE DES DISQUES DE RUPTURE Comme les soupapes de sureté, les disques de rupture ont pour but de protéger une installation contre les surpressions excessives occasionnées par une réaction chimique incontrôlée, une élévation de température, . . . Ils assurent une pleine ouverture instantanée à une pression d'éclatement prédéterminée . Les disques de rupture présentent l'avantage d'une étanchéité totale, un tarage très précis, un encombrement réduit, un prix de revient plus élevé mais leur remplacement est parfois incommode . Ils sont utilisés soit en parallèle avec la soupape de sureté, pour prévenir dans certaines réactions, une montée très rapide et importante de pression à laquelle la soupape ne réagirait pas avec assez de rapidité.

©1994 ENSPM Formation Industrie

17

soit en le plaçant entre la capacité et la soupape afin d'éviter le contact de la soupape avec des produits très corrosifs ou susceptibles de cristalliser . dans un souci de supprimer les fuites répétées ou continues de soupapes .

Dans ce cas, le côté aval peut être relié à un indicateur (ou alarme) de pression local ou en salle de contrôle pour indiquer une rupture de disque .

Unit? d'indication de rupture du disque

Indicateur de pression local

Alarme de pression en salle de contrôle

- soit comme dispositif de décompression unique

Un robinet de jumelage 3 voies est dans ce cas nécessaire

La pression de rupture ou d'éclatement du disque dépend de sa position par rapport à la soupape de sureté en parallèle, la pression de rupture est supérieure à la pression de levée de la soupape en amont de la soupape, la pression de rupture est bien entendu inférieure à la pression de levée. ©1994 ENSPM Formation Industrie

18

D

Application Compléter le tableau ci-dessous dans le cas de la capacité

Montage du disque par rapport à la soupape P calcul = PMS

bars

P levée soupape

bars

P rupture disque

bars

2 - DIFFERENTS TYPES DE DISQUES II existe 2 grandes catégories de disques de rupture : les disques métalliques et les disques en graphite . a - Disques métalliques Divers matériaux sont utilisés pour leur fabrication : aluminium, acier, inox, nickel, . . . Suivant les conditions d'utilisation on instaiie -

des disques conventionnels dômes : le dôme est dans la direction de la pression de rupture et se rompt sous l'action d'une force de tension .

Disques conventionnels

Cl 994 ENSPM Formation Industrie

19

-

10

des disques dômes inverses : le dôme fait face à la direction de la pression de rupture et se rompt sous l'action de forces qui le gauchissent, le plient ou le cisaillent ou l'arrachent .

Disques à flambage inverse des disques composés avec ligne de fente précoupée Ils sont composés de deux couches ou plus, remplissant chacune une fonction bien déterminée disque fendu ou rainuré de façon à contrôler la pression de rupture membrane d'étanchéité amont en plastique ou en métal pour isoler et protéger le disque du fluide en contact membrane d'étanchéité aval pour protéger de la corrosion atmosphérique ou d'une contamination support anti-vide s'il y a risque de vide

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20

Disques composés Tous ces disques peuvent . être installés sur des porte-disques montés entre brides, dans les raccords union ou tout autres types de monture . _

Type boulonné

Type raccord-union Différents types de montage

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Type vissé

b - Les disques en graphite lis possèdent le grand inconvénient lors de la rupture de se pulvériser en petites particules dans l'installation, mais résistent très bien à la corrosion .

Disque en graphite

3 - UTILISATION DES DISQUES DE RUPTURE Vérifier le sens de montage du disque . Lorsque l'étiquette d'identification est rivetée sur le disque, les inscriptions sont en principe côté aval. Comme pour les soupapes de sureté, vérifier la concordance de la pression de tarage indiquée sur la plaque d'identification avec la pression de calcul de l'équipement protégé .

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111 - EQUIPEMENTS DES BACS A TOIT FIXE Lors d'opération de transfert ou de variation de température d'un bac, il doit y avoir communication entre la phase gazeuse et l'atmosphère . Les bacs de stockage à toit fixe sont donc équipés d'évents ou de soupape de respiration à double effet .

1 -

EVENTS Les évents de mise à l'air libre sont installés lorsque le produits stockés ont une très faible tension de vapeur tels que bases huiles, fuels lourds, . . .

Event de mise à l'air libre

2 - SOUPAPES DE RESPIRATION En ce qui concerne les produits de tension de vapeur non négligeable, pour minimiser les pertes de remplissage et par évaporation, on équipe les bacs de soupape de respiration à double effet. Elles permettent une légère surpression et une légère dépression à l'intérieur du bac. Le tableau ci-après donne quelques caractéristiques de ces valeurs admissibles suivant le type du bac Résistance (en mbar) à :

Type de toit

Type de produits stockés

la pression

la dépression

Conique

(G 1)

5

-2,5

non volatils

Bombé

(G2)

25

-5

peu volatils

Bombé

(G3)

150

-5

moyennement volatils

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J

Les schémas ci-dessous illustrent le fonctionnement de 2 types de soupapes

UzL.s 0 YL ci le, ba-c.

Soupapes de respiration à double effet

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24

En général les évents et les soupapes sont protégés (feuille morte, chiffons, nids d'oiseaux, .. .) par un grillage . Veiller à ce qu'ils soient propres et non obturés .

3 - ARRETE-FLAMMES Les règlements de sécurité prévoient la mise en place d'arrête-flammes entre la phase gazeuse du réservoir et tout milieu où une flamme risque de se produire . Ils son placés sur les évents et sous la soupape de respiration . L'arrête-flammes est constitués par un empilement de feuilles d'aluminium ondulées et nervurées qui pour arrêter la combustion, présentent une très grande capacité calorifique susceptible de refroidir suffisamment le gaz des jeux minimum pour éviter la propagation d'une flamme (coincement de flamme) .

Arrête -flamme sur évent (d'après doc . PROTEGO)

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Risques et précautions liés au matériel

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ ISOLATION ET TRAÇAGE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DES ÉQUIPEMENTS ET DES TUYAUTERIES. ... .... . .. . ... .. 1 II - TRAÇAGE Â LA VAPEUR .. . . .. . ... . .... ... ... . . ... .... . ... . .. . . ... . . . . . . .. . . .. . . .. . .... .... . . .. . . ... . ... . ... . .. . . .. . . .. . ... ... 2 III - TUYAUTERIES À DOUBLE ENVELOPPE . .. . . .. . ... . .... . ... . ... . .... ... . . .. . . .. . . .... . .. . ... .... . ... . .... .. . . .. . ... . 2 IV - TRAÇAGE ÉLECTRIQUE. . .. . .... .. .. . .. ... . . ... . ... . ... . .. . . .. . . ... . ... . ... . .... . ... . .. . . .... .... . ... . ... . .... .. . . ... ... . .. . .. 4 V- ISOLATION - CALORIFUGE. . . .. . ... . ... . .. . . .. . . .. . . .. . . ... ... . . .. . . ... . ... . . .. . ... . . .. . . . .. . . .. . . .. . ... . . ... .... . ... ... . .. . . 5 ISOLATION TYPE "CONSERVATION DE LA CHALEUR '° . . . . . . ... . .. . . ... . . ... . ... . ... . .... .... . ... ... .... . .. 6 VII - ISOLATION TYPE "CONSERVATION DU FROID" . .... . ... . ... . ... . ... . . .. . . .. . . ... . . .. . .... . ... ... . ....,." . .. . .. 7 En annexe

planches 1 à 11

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20103/2000

Rév.1

I-

MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DES ÉQUIPEMENTS ET DES TUYAUTERIES Dans les industries pétrolières, pétrochimiques ou chimiques on veut, pour diverses raisons, maintenir la température des produits transportés dans les tuyauteries à une valeur donnée . Les différents cas rencontrés sont les suivants éviter que le liquide transporté ne gèle ou ne devienne trop visqueux pour être pompable maintenir à une certaine température la paroi d'une tuyauterie pour éviter les condensations de produits corrosifs (par exemple des tuyauteries transportant des gaz acides) garantir la protection du personnel et éliminer les risques de brûlures

éviter le réchauffement de tuyauteries de produits à basse température Quand on veut maintenir une température minimale, qui peut être à peine plus basse que la température moyenne de circulation du fluide, on procède au calorifugeage de la tuyauterie . L'épaisseur du calorifuge est déterminée en fonction de conditions économiques. Les épaisseurs généralement mises en ceuvre réduisent la variation de température du fluide le long de la tuyauterie à quelques degrés (2 à 3°C par Km). Si la solution "calorifugeage" n'est pas suffisante pour se prémunir contre les risques de chute de température et si des solutions telles que circulation continue, flushing, soufflage ne sont pas réalisables, il faut procéder au traçage de la tuyauterie . L'apport de calories peut se faire par utilisation, comme fluide de chauffage de vapeur d'huile chaude d'eau tempérée de résistances électriques

L'utilisation de la vapeur est très fréquente pour plusieurs raisons : débit de vapeur nécessaire faible, circuit de distribution et de collecte relativement simple, vapeur en général disponible à bas prix. Dans certains cas on utilise un liquide caloporteur : huile chaude pour des maintiens à température élevée, eau tempérée pour des fluides sensibles à la température . Ces systèmes nécessitent des installations complexes : four ou échangeur pour réchauffer le fluide, pompes de circulation, accumulateur, réseau de distribution et de retour . Pour le maintien à haute température le débit de fluide de réchauffage doit être assez élevé.

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II -

TRAÇAGE A LA VAPEUR (planches n°1 à n°4) Le traçage consiste à disposer le long de la tuyauterie un ou plusieurs tubes de petit diamètre alimentés en vapeur basse pression . On peut enrouler le traceur en hélice sur la tuyauterie à réchauffer (petits diamètres ou prises d'impulsion instrumentation) ; dans ce cas on utilise des traceurs en cuivre . Les tubes de traceurs sont reliés entre eux par soudure ou par manchons soudés . Quelques règles qui garantissent le bon fonctionnement et l'efficacité du traçage chaque traceur doit avoir son alimentation indépendante et son purgeur un traceur pour une tuyauterie l'instrumentation doit avoir des traceurs indépendants de la tuyauterie process la longueur d'un traceur ne doit pas excéder 100 m (60 m pour 0 1/2") les traceurs doivent être fixés à la tuyauterie (colliers soudés ou feuillards) prévoir des lyres de dilatation tous les 30 m prévoir un montage en boucle autour des accessoires démontables les tuyauteries verticales ont leurs traceurs alimentés au point le plus haut

L'ensemble tuyauterie-traceur est calorifugé . On utilise une "chambre de chauffe", espace annulaire ou semiannulaire de l'épaisseur du traceur permettant de régulariser la température autour de la tuyauterie . Les tuyauteries de petit diamètre sont parfois rassemblées dans une gaine calorifugée où circule un ou plusieurs traceurs . II existe des ciments à haute conductibilité qui, placés entre la tuyauterie et le traceur, augmentent considérablement (jusqu'à 8 à 10 fois) la quantité de chaleur transférée .

III - TUYAUTERIES À DOUBLE ENVELOPPE (planche n°5) Dans une tuyauterie à double enveloppe, la vapeur circule dans l'espace compris entre deux tuyauteries et la température de la tuyauterie intérieure est pratiquement celle de la vapeur. On utilise ce type de réchauffage quand on veut maintenir une température précise et quand la différence de température entre le fluide chauffant et le fluide à réchauffer est faible . Exemples : réchauffage et maintien en température de soufre liquide, de nitrate d'ammonium . C'est une méthode efficace, mais onéreuse. Elle pose parfois des problèmes de dilatation quand la tuyauterie à réchauffer et l'enveloppe ne sont pas faites dans le même matériau . II peut y avoir, également, des phénomènes de corrosion de la tuyauterie interne provoquant des fuites de vapeur dans le fluide réchauffé ou l'inverse. Son emploi est limité à des cas bien particuliers .

O 2000 ENSPM Formation Industrie

D

I

IV - TRAÇAGE ÉLECTRIQUE (planche n°6) On peut apporter les calories nécessaires au maintien en température d'une tuyauterie en utilisant des résistances électriques. C'est une méthode de chauffage simple, assez économique, facile à mettre en ceuvre . Son utilisation est freinée par la disponibilité de vapeur basse pression . Les résistances électriques utilisées pour ce type de traçage se présentent en général sous la forme d'un ruban souple qu'on installe le long de la tuyauterie ou qu'on enroule en hélice en le maintenant à l'aide de bandes adhésives. On peut utiliser aussi dans ce cas du ciment à haute conductibilité thermique pour favoriser l'échange. II existe deux types de traceurs électriques

câble chauffant à résistance "série" à un ou deux conducteurs ruban à résistance "parallèle", constitué par deux conducteurs entre lesquels sont placés les éléments résistants On trouve aussi des rubans auto-régulants : ce sont des traceurs du type "parallèle" dans lesquels la résistance de l'élément chauffant croît avec la température, autrement dit, la quantité de chaleur fournie diminue quand la température de la tuyauterie tracée augmente . Les câbles ou rubans sont recouverts d"une gaine en matière plastique. II existe une autre façon de tracer électriquement une tuyauterie : c'est le traçage par effet de peau . Schéma 1 . Transfert de chaleur par effet de peau .

Concentration de courant Câble THERM-TRAC

Liaison thermique Cheminement de la chaleur

Tube à tracer

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Le traçage par effet de peau consiste â souder un tube chauffant en acier doux à intervalles de 10 cm sur la génératrice du tube à tracer . Un conducteur électrique en cuivre, dit câble porteur est passé à l'intérieur du tube chauffant (boîte de jonction tous les 500 m). Le circuit électrique est constitué d'un transformateur mis en série avec le câble porteur en cuivre et le tube traceur qui assure le retour du courant à effet électromagnétique entre les deux conducvteurs à perméabilité différente, parcourus par des courants contraires, fait que le courant se concentre près de la zone où les deux conducteurs sont les plus proches, donc sur la face interne du tube traceur. II se produit alors un échauffement (effet joule dans le tube traceur en acier et plus faiblement dans le câble porteur) . Température maximale de maintien : 150 °C : 12 km Longueur maximale Tension maximale d'utilisation : 3000 volts © 2000 ENSPM Formation Industrie

_11A

COMPARAISON DES DIFFÉRENTES MÉTHODES DE TRAÇAGE

Double enveloppe Efficacité

Excellente

Température d'équilibre de la tuyauterie Prévisible avec précision

Traçage à la vapeur

Traçage électrique

Bonne (très bonne avec Bonne (très bonne avec ciment conducteur) ciment conducteur) Mal connue (sauf avec ciment)

Assez bien connue (surtout si traceur autorégulant)

Consommation

Prévisible, assez élevée

Mal connue (assez élevée)

Limite connue (faible si auto-régulante)

Réglage

Difficile

Difficile

Facile

Mise en service

Longue

Longue

Facile et rapide (automatisation possible)

Exploitation

Surveillance nécessaire Surveillance nécessaire

Peu de surveillance

Coût d'installation

Très élevé

Élevé

Élevé

Coût d'exploitation

Élevé

Élevé

Moyen

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V -

ISOLATION - CALORIFUGE

(planche n°7)

Les principales raisons qui conduisent à la mise en place d'une isolation sur des équipements ou tuyauteries sont les suivantes limiter la dissipation de "chaud" ou de "froid" vers l'air ambiant (isolation type "conservation de la chaleur" ou "conservation du froid") se défendre contre la condensation ou le givrage de la vapeur d'eau de l'air atmosphérique sur les surfaces externes des équipements ou tuyauteries (isolation type "asti-condensation" ou "antigivre") protéger le personnel pouvant avoir accès, au cours d'opérations normales, à des surfaces très chaudes ou très froides (isolation type "protection du personnel")

Généralement, toutes les lignes et équipements, normalement en service "chaud" ou "froid", sont dotés d'une isolation sur toute leur longueur . Quelques critères classiques sont à prendre en compte pour le choix d'un matériau isolant coût coefficient de conductivité masse volumique classement de réaction au feu température limite et température optimale d'utilisation II faut connaître aussi l'importance relative des facteurs qui rendent une isolation thermique efficace -

choix du matériau isolant et calcul des épaisseurs contribuant à environ 20 % à l'efficacité de cette isolation la mise en couvre correcte contribue à 80 % de son efficacité (mise en oeuvre = main d'oeuvre)

Quelques éléments statistiques permettent de situer la place du calorifuge dans une installation pétrolière

- pour les unités pétrolières classiques (distillation, cracking) le calorifuge représente 3 à 5 % du budget d'investissement -

pour les unités spéciales (huiles, déparaffinage) le calorifuge peut atteindre 8 % et plus

dans le coût, le partage se fait dans les proportions d'environ 20 à 30 % pour les appareils, 80 à 70 % pour les tuyauteries

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VI - ISOLATION TYPE "CONSERVATION DE LA CHALEUR" (planche n°8) Le but de toute isolation thermique est de limiter, de manière permanente, les échanges de chaleur entre un fluide procédé ou utilité et le milieu extérieur. II faut donc que cette isolation soit efficace dans le temps. L'isolant doit par conséquent avoir deux qualités essentielles un coefficient de conductivité thermique aussi bas que possible une résistance à l'encrassement suffisante pour éviter toute détérioration du matériau mis en Couvre Dans l'industrie pétrolière et pétrochimique on utilise essentiellement des matériaux fibreux dont la résistance à l'encrassement est assez faible, mais le coefficient de conductivité thermique faible . Le manque de résistance à l'écrasement exige une protection extérieure rigide . La planche n°7 donne les caractéristiques des différents matériaux utilisés pour l'isolation, en particulier pour le type "conservation de la chaleur" . Quelques mesures à prendre pour conserver dans le temps la qualité de l'isolation maintenir la structure fibreuse de l'isolant et pour cela ne pas dépasser la température limite d'emploi le matériau doit adhérer parfaitement à la surface à isoler

sur les appareils, l'isolant est fixé par des aiguilles ; sur les tuyauteries, les coquilles sont fixées par feuillards, à l'exclusion de toute ligature en fil de fer la protection extérieure doit être suffisamment rigide pour assurer la géométrie de l'isolant

la protection doit être étanche à l'eau ; l'humidification de l'isolant modifie profondément le coefficient de conductivité . La nature de la protection doit être compatible avec le milieu ambiant (éviter une corrosion prématurée) les recouvrements sont suffisants et les moulures doivent être judicieusement placées (serrage par effet ressort, fixation parvis ou rivets) aux endroits de pénétration dans le calorifuge, l'étanchéité est assurée par un mastic souple ; on peut mettre en place des déflecteurs au-dessus de toute pièce démontable

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VII - ISOLATION TYPE "CONSERVATION DU FROID" (planche n°9) Toutes les lignes et équipements, normalement en service froid, sont dotés sur toute leur longueur d'une isolation soit "conservation du froid", soit "anti-givre" ou "anti-condensation" ; les épaisseurs d'isolant qui en résultent font que le critère "protection du personnel" est automatiquement satisfait. Outre les critères classiques pris en compte pour le choix des matériaux isolants, il faut porter une attention particulière à la diffusion de la vapeur d'eau au travers de l'isolation. La présence d'humidité dégrade l'isolant et affecte les propriétés thermiques de l'isolation (à cause de la formation de glace à l'intérieur de l'isolant et sur la paroi externe de la surface isolée). Les matériaux le plus souvent utilisés sont des matériaux poreux à structure cellulaire le polyuréthane

le verre cellulaire ; c'est un matériau abrasif qui contient des ions chlore, donc interdit sur l'acier inoxydable le polystyrène expansé ; mauvaise résistance au feu le liège expansé pur

la mousse formo-phénolique ; contient des ions chlore, ne pas utiliser sur l'acier inoxydable Les recommandations concernant la mise en œuvre d'un calorifuge "froid" sont les mêmes que celles retenues pour un calorifuge "chaud". Cette mise en couvre est très délicate et doit être appliquée avec beaucoup de rigueur.

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TRAÇAGE À LA VAPEUR - Détails de disposition et de montage -Planche n° 2 -

TUYAUTERIES HORIZONTALES

Chambre de chauffe

TUYAUTERIES VERTICALES

(Bande aluminium '120 x 2/10

TRAÇAGE, RENFORCE

FIXATION DES TRACEURS

9 2000 ENSPM Formation Industrie

14JR

10

TRAÇAGE À LA VAPEUR - Agencement sur éléments particuliers - Planche n° 3 -

Traçage corps de vanne

Traçage assemblage à brides

Tube de diamètre 3/g ou 1 /q.

Vapeur Vapeur

Purgeur de vapeur

Purgeur de vapeur

Traçage corps de pompe

Traçage élément instrumentation

Vapeur

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TRAÇAGE INSTRUMENT À LA VAPEUR - Planche n°4 -

Diaphragme

Ligne de produit

Raccord à brides ou raccord Ermeto Boulons M 8 x 30 ^-25x5 Lignes d'implusions /

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Klingerit 1 mm

Boitier avec serpentin

Traceur Collecteur de purge

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12

CONDUITES -- PlaOChe O"5--

La ligne contenant ü à maintenir en température est entourée d'une seconde ligne u[ éa nt ainsi une enveloppe de température uniforme .

Longueur des tronçons : environ iron 6 m. Prévoir un poste de purge à chaque tronçon . Les lignes sont posées avec une légère pente. Entrée de la vapeur en point haut. ~ ~o

Point de purge en point bas .

11 ~ o

Vapeur Si !'on désire relier plusieurs tronçons, ne pas dépasser une longueur de 24 à 30 m, sous les climats tempérés et de 12 m dans les zones froides du globe. Prévoir un pontage haut et bas de tous les tronçons intermédiaires .

Pente ~

Montage incorrect

Le passage du condensat contrarie l'écoulement de la vapeur .

(D 2000 ENSPM Formation Industrie

13

SCHÉMA DE L'INSTALLATION - Planche n°6 -

Jonction de sortie froide 88m

Bulbe sensible

Vers alimentation

Coupe circuit

Sorties froides connectées en parallèle dans un té ou dans une boîte étanche Jonction chaude de retour j'_ Contacteur Support métallique

COUPE D'UN CÂBLE CHAUFFANT

PRINCIPE DE MONTAGE Câble chauffant Collier

Gaine métallique Magnésie comprimée

Ame résistante

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Q

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ISOLATION : CARACTÉRISTIQUES DES DIVERS MATÉRIAUX - Planche n° 7 MATÉRIAUX

TEMPÉRATURE D'UTILISATION - 200 °C

+ 1000 'C

0 °C

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Isolant fibreux Laine de verre Laine de roche Amiante

0 °C o °C 0

+ 500°C + 650 °C

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°c

+650 °C

Silicate de calcium newtherm Semi-réfractaire laine de silice

+ 800 °C

Polystyrène expansé Extrudé styrofoam Thermo-comprimé soudé Liège

-51C

-100 °C

-40'C

+ 60 °C +60 °C

-40 °C

+60'C

Mousse de polyuréthane rigide

-200°C

+ 160 °C + 120 °C

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190 à 230

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Chaud

Froid

tuyaux-appareils ® tuyaux-appareils ® turbines, ® cheminées indlIes, ignifugeage . sous-couche

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46 à 200

sous-couche

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tuyaux-appareils tuyaux-appareils

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tuyaux-appareils tuyaux-appareils

110 + 400 °c

00 °C

23 à 68 48 à 150 180 à 200

15 30

+ 100'C

Verre cellulaire foamglas - 200 °C Mousse phénolique-

+ 800 °C

+ 650 °C

PRINCIPALES UTILISATIONS

PRÉSENTATION

MASSE VOLUMIQUE kg/m3

144

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40 à 60

®

tuyaux-appareils tuyaux-appareils

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tuyaux-appareils

32 à 64

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15

ISOL TI ON : INSTALLATION "CHAUDE" - Planche n°8 Isolation de tuyauterie 1 - Isolant posé à joints alternés 2 - Cerclage par feuillard 3 - Tôle de protection

4 - Assemblage par vis type "PARKER" 4

Isolation vanne 1 - Boîtier en tôle 2 - Isolant

3 - Grillage interne de protection 4 - Attache rapide

Isolation jeux de bride

1 - Boîtier en tôle

2 - Isolant

3 - Grillage interne de protection 4 - Attache rapide

9 2000 ENSPM Formation Industrie

16

ISOLATION : INSTALLATION "FROIDE" - Planche n° 9 Isolation des tuyauteries

1 - Peinture anti-corrosion

5 - Armature écran pare-vapeur

3 - Collage et jointoyage de l'isolant

7 - Feutre protecteur écran pare-vapeur

2 - Isolant à joints croisés et alternés

6 - Écran pare-vapeur

4 - Cerclage par feuillard

8 - Tôle de protection 9 - Assemblage par vis type "PARKER"

Isolation des vannes

Isolation des brides

9 2000 ENSPM Formation Industrie

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DMEQ076A

18

RÉCHAUFFAGE PAR FLUIDE CALOPORTEUR - Planche n° 11 ATM

BALLON D'EXPANSION

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Ligne de recirculation --- - ----- - - - - - - - - - ---COLLECTEURS POINTS HAUTS

Appoint STOCKAGE BITUME

ÉCHANGEUR PROCESS

Vapeur HP ~ Condensats

Système de réchauffage de l'huile (vapeur HP)

REBOUILLEUR

0

Pompe de circulation

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Risques et précautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I-

FLEXIBLES

DIFFÉRENTS TYPES DE FLEXIBLES . . ..... ..... . .. . . ... . .. . .. ... ... ... .. . ... .. . .. . .. . ... .. . . .. ... .. . ... ... ... ... ... ... . ..1

1 2 3 -

Il-

Les flexibles métalliques .... ..... ..... ..... ..... . . . .. ...... . .... ...... . . . .. .... .... ...... ......... .... ..... ....... ...... .. . .. .... ........ ..... ..... .... 1 Les flexibles en élastomères et en matières plastiques . ..... .... . .... ... ..... . ",.. .".., .,......... ... .... .... ....... 1 Les embouts . ..... .... ..... .. ... .... . .... ..... ..... .... . .... ........ ..... .... . .... .......... .... . ... . ..... ......... .... .... . . ... ..... ... ..... ..... .... .... .... 2

CONFORMITÉ DES FLEXIBLES AVEC LA RÉGLEMENTATION . . . ... ... . .. .... .. . .. . . .. . . .. . .. . .., . .3 1 2 3 -

III -

Fr)

Épreuve initiale ....... . ......... ..... .... . .... ..... ...... .. ... ...... ..... ....... .. . ......... ..... ... . . .... ..... ........ ..... .... .. . . . ... . .... ........ ..... ... 3 Résistance électrique .. ..... . .... . . . . . .... ...................... ..... ................... . . . .. .... . .... .......... .... . ... .... ..... .... .... ..... ..... .... .. 3 Marquage ... ..... ......... .............. .......... .... .. . .. ....... . ..... .... . .... ..... .. ... .... . .... ..... ......... ... . . ... . ......... ........ ..... ...... . .. ... . . 3

UTILISATION DES FLEXIBLES . . .. . .. ... ... .. .. . .. .. . .. ... . .. .. . .. . . .. .. . .. . .. ... . .. . .. ... . .. ... . .. . .. ... . .. . .. ... . .. . .. ... . .. .5

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12/12/1994 © 1994 ENSPM-Formation Industrie

Révision 0

1 -W

I-

DIFFÉRENTS TYPES DE FLEXIBLES L'utilisation de flexibles est fréquente et des plus variée opérations de chargement et de déchargement de camions citernes, wagons-réservoirs, navires, . . . concernant des produits chimiques, des hydrocarbures, . .. transfert de fluides auxiliaires : air, eau, vapeur, . . . liaison entre un équipement fixe et un équipement "mobile" : réacteur sur pesons par exemple. Les conditions de service pouvant être admises sont les suivantes Pression

Température

=- 0,9 bar à 1000 bar =- 200°C à + 800°C

On distingue deux grandes catégories de flexibles - les flexibles métalliques - les flexibles en élastomères et matières plastiques

1 -

LES FLEXIBLES MÉTALLIQUES Ils sont constitués de spires hélicoïdales ou parallèles d'une très grande flexibilité . Ils sont généralement en acier inoxydable ou en Monel et peuvent être entourés de tresses extérieures métalliques de protection . -

Spires hélicoïdales

Spires parallèles

2 - LES FLEXIBLES EN ÉLASTOMÈRES ET EN MATIÈRES PLASTIQUES Les matériaux généralement utilisés sont élastomères : caoutchouc naturel, caoutchouc nitrile, Néoprène (polymère de chlorobutadiène), . . . matières plastiques : PTFP, polyéthylène, copolymère, styrène-butadiène/SBR), . . .

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Ces flexibles sont constitués par un tube intérieur lisse ou ondulé un renforcement par entoilage de plusieurs couches de tissus imprégnés, tresses en acier inox hélice en acier inox, matière plastique, . . . cordage une robe extérieure de protection éventuelle

Elastomère

Matière plastique

Ils sont accompagnés soit d'une spirale en acier inoxydable formant armature, soit d'un fil de masse qui relie électriquement leurs deux extrémités. Quelquefois, l'élastomère est chargé de graphite pour diminuer sa résistivité .

3 - LES EMBOUTS Un très grand nombre d'embouts (ou raccords), différents peuvent être montés à la demande du client . Trois exemples sont représentés sur la planche n° 1 . II est important que les flexibles destinés à des utilisations différentes soient équipés d'embouts caractéristiques. Exemple - "tête de chat" sur eau et air service - raccord à visser sur vapeur - raccord spécial sur azote, .. .

4-

CONSTRUCTEUR / FABRICANT DE FLEXIBLES Par flexible on entend un ensemble constitué par un tuyau équipé de 2 raccords d'extrémité . Le constructeur est la personne physique ou morale qui a réalisé le flexible. Le fabricant est la personne physique ou morale qui a confectionné le tuyau .

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II - CONFORMITÉ DES FLEXIBLES AVEC LA RÉGLEMENTATION 1-

ÉPREUVE INITIALE Chaque flexible doit être éprouvé avant sa mise en service à une pression d'épreuve (P.E.) égale à 1,5 fois la pression maximale de service (P.M.S.). Dans tous les cas, le fabricant doit garantir que la pression d'éclatement est au moins le double de la pression d'épreuve .

2 - RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE Pour éviter les problèmes dus à l'électricité statique, la résistance électrique des flexibles doit être inférieure à 2 x 106 S2 /m.

3 - MARQUAGE (Planche 2) Flexibles avec PMS <_ 4 bar et 0 _< 100 mm Prélèvement d'échantillon sur chaque lot de tuyaux sous le contrôle d'un expert agréé et épreuve chez le constructeur à PE = 6 bar - Indications sur flexibles :

- PMS marque d'identification du fabricant

- Indications sur raccords :

- valeur PE (6 bar) + PMS - l'année de fabrication suivie de la lettre 'T', de façon à prévoir la date de réforme - identification du fabricant

- Sur un accord :

- poinçon du constructeur n° matricule du flexible

Contrôle visuel au moins annuel . Fiche (registre) rassemblant : nom, référence du constructeur, dates des contrôles et nom du contrôleur Au bout de 7 ans, après épreuve initiale réforme Flexibles avec PMS > 4 bar ou 0 > 100 mm PE _> 1,5 PMS (par DRIRE) pression éclatement : garantie par le fabricant et >_ 2 PE Inscriptions sur raccords (par le constructeur)

année valeur de PE l'année de fabrication suivie de la lettre 'f'

Sur un raccord:

n° matricule référence du constructeur année des réépreuves et les poinçons correspondants

9 1994 ENSPM-Formation Industrie

Indication sur flexible -

PMS marque d'identification de fabricant

Contrôle visuel au moins annuel Fiche (registre) rassemblant nom, référence du constructeur, dates des contrôles, nom du contrôleur . Au bout de 5 ans : réépreuve (présence DRIRE) à _> 1,5 PMS (avec inscription année, poinçon sur un des raccords) Au bout de 7 ans après épreuve initiale : mise au rebut Quelques valeur pour gaz liquéfiés Chlore :

pression éclatement > 200 bar Réforme : 12 mois après mise en service (Circulaire du 24/07/72 relative aux dépôts de chlore liquéfié)

Ammoniac :

pression éclatement > 80 bar 1 ère réépreuve : 12 mois après mise en service 2ème réépreuve : 12 mois après Réforme au plus tard : 12 mois après (3 ans après mise en service)

Phosphore et chlore gazeux : Réforme 6 mois après mise en service "

Flexibles vapeur

En plus des marques mentionnées ci-dessus, le corps du flexible doit être muni d'une bande rouge longitudinale de 8 mm minimum de large. "

Flexibles pour produits chimiques

En plus des marques indiquées ci-dessus, les flexibles pour produits chimiques (tels que les acides chlorhydrique, sulfurique, acétique, l'ammoniaque anhydre, l'eau de javel, la lessive de soude) doivent porter une bande longitudinale jaune .

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III -

UTILISATION DES FLEXIBLES II est interdit d'utiliser un flexible à une pression de service supérieure à sa PMS (pression maximale de service) et sa mise au rebut doit se faire en fonction des règles, même si l'état apparent du flexible semble satisfaisant . Avant d'utiliser un flexible, il faut vérifier son état : aspect extérieur, raccords, indices de détérioration l'absence de bouchage, d'encrassement ou de produit indésirable (eau par exemple) sa pression maximale d'utilisation sa compatibilité avec la nature et la température du produit à véhiculer (exemple : HF incompatible avec tuyau interne en PTFE) En aucun cas, il ne faut se servir d'un flexible pour un service autre que celui prévu (exemple : flexible d'eau utilisé pour véhiculer de la vapeur) . Ne pas traîner les flexibles : détérioration des raccords, étincelles Effectuer le montage avec soin en prévoyant un système de décompression et mettre en service avec précaution (prêt à refermer la vanne en cas d'anomalie) Lorsqu'un flexible est dirigé vers un caniveau ou un égout, attacher l'embout pour éviter le fouettement Signaler et protéger les flexibles sur les lieux de passage Après utilisation, débrancher les flexibles même si les opérations d'exploitation ne le nécessitent pas (ex. : dégazage d'une capacité par un flexible d'azote, le rincer ou le souffler) Proscrire les raccordements bout à bout de plusieurs flexibles par raccord Interdire les flexibles là où des tuyauteries rigides peuvent être montées Pour les matières très dangereuses (niveau de danger 1) et pour les gaz liquéfiés, il est vivement recommandé de ne pas utiliser des flexibles, mais des bras de chargement

Remarque II est nécessaire d'assurer un suivi régulier de ces flexibles/raccords consigné dans un registre indiquant le service ou poste d'utilisation le numéro d'ordre le nom et référence du fournisseur le fluide véhiculé les dates de réception de mise en service d'épreuve/réépreuve la date de la réforme y adjoindre les PV d'épreuve et les documents constructeurs.

9 1994 ENSPM-Formation Industrie

D

Bride standard

yvs\W" wl~M~1< "

Raccord femelle à visser

Raccord rapide à cames - Planche 1 -

D'après doc. CORROFLON

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MARQUAGE FLEXIBLES/RACCORDS PMS > 4 bar et 0 > 4 100 mm Sur le tuyau

Sur les deux raccords

Année d'épreuve (4 chiffres)

X

Valeur pression d'épreuve

X

Date d'épreuve suivie de f

X

Poinçon de l'expert - n° de matricule - référence constructeur - année (4 chiffres) de réépreuve - poinçon correspondant

X

Sur un raccord

X X X

De façon indélébile ; - PmS - marque identifiant le fabricant du tuyau

X X

X X

En cas de réparation - année de réépreuve (4 chiffres) - poinçon correspondant

X

PMS 5 4 bar et 0 S 100 mm Sur le tuyau De façon indélébile - la PmS = 4 bar - la marque identifiant le fabricant - la pression d'épreuve : 6 bar - l'année de fabrication (4 chiffres) suivie de f - le poinçon du constructeur - le n° matricule du flexible

X X

En cas de réparation - l'année de réépreuve (4 chiffres) - le poinçon de réépreuve

- Planche 2 -

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Sur les deux raccords

X X X X

Sur un raccord

X X

X

Risques et Précautions liés au Matériel FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I

- RÉGLEMENTATION FRANÇAISE ... .. ...... .. ... .. . ........ . .. . . . . .. . ... ... .. . ... ... . . . .. . ... ... ... . .. ... . .. . .. ... . . . . .. ... . .1

II - STOCKAGE DE GAZ INFLAMMABLES SOUS PRESSION . . .. ... ... . .. . .. ... ... ... . .. . .. .... .. . .. ....  . .... .1 III - STOCKAGE DES LIQUIDES INFLAMMABLES .. ... .. . .. .... .. . ... ... .. . .-. . .. .. . ... . .. .. . ... ... .. . ... . .. .... .. . .. ..12 1 2

-

Sécurité feu .................. ..... ..... ..... .... . .......... . . . ........ . .... .................. .... . ... .... . .... .... ........... ... ............ . .... .... .....12 Spécifications essais de résistance au feu ............. ...... ........ .... ............. ..... ......... .... ................. .............. .. .12

Ce document comporte 21 pages

01995 ENSPM Formation Industrie

~ 2/l/1995

Rev. 0

1-

RÉGLEMENTATION FRANÇAISE L'aménagement sécurité des capacités de stockage est réglementé -

pour les gaz liquéfiés sous pression par l'arrêté du 10 Mai 1993 pour les liquides inflammables par l'instruction ministérielle du 9 Novembre 1989 - Art. 17

" Arrêté du 10 Mai 1993 "La quantité de gaz pouvant s'écouler en cas de fuite susceptible de se produire sur une canalisation raccordée à la phase liquide d'un réservoir est limité par un jeu de 3 vannes à sécurité positive, dont une vanne interne (ou clapet) asservis aux systèmes de détection de gaz" . " instruction ministérielle du 9 Novembre 1989 - Art. 17 "Les vannes de pied de bac doivent être . -

de type sécurité feu commandables à distance et à sécurité positive

Lors d'accident survenant en période d'exploitation de grandes difficultés apparaissent pour l'extinction des feux alimentés. Pour prévenir ces inconvénients, notamment dans le cas de rupture de conduites, la mise en place de vannes de pied de bac à sectionnement rapide doit être imposée : des systèmes de cette nature ont été généralisés dans les dépôts de grandes compagnies".

11 -

STOCKAGE DE GAZ INFLAMMABLES LIQUÉFIÉS SOUS PRESSION (arrêté du 10 Mai 1993) Pour maîtriser toute fuite accidentelle sur les canalisations d'exploitation en phase liquide, la réglementation impose un dispositif de sécurité comprenant un robinet à fermeture télécommandée ou automatique (TOUT OU RIEN)

un dispositif d'injection d'eau dans le réservoir, s'il n'y a pas de problème d'incompatibilité, pour substituer une fuite d'eau à une fuite de gaz liquéfie un clapet de retenue ou d'excès de débit ou tout autre moyen équivalent un clapet hydraulique de sécurité

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UNITÉ DE FABRICATION Eau !1Z4 incendie

xV 9530

T 946

W J

1I

STOCKAGE GAZ LIQUÉFIÉ

xV 9531

xV 9526

rd

hi

O

ROV 9511

STOCKAGE GAZ LIQUÉFIÉ

1-1 B-1,

STOCKAGE GAZ LIQUÉFIÉ

ROV

mu xV 9527

0

Robinet à fermeture télécommandée

O

Injection d'eau

SÉCURITÉS DANS LE STOCKAGE

Clapet limiteur de débit Vanne interne (clapet Whessoe)

©1995 ENSPM Formation Industrie

DI

=90Q

CLAPET HYDRAULIQUE DE SÉCURITÉ SUR RÉSERVOIR FIXE (WHESSOE) 1 -

RÔLE DU CLAPET Les clapets sont installés sur les tuyauteries d'une capacité de gaz liquéfiés, en vue d'éviter toute contribution du produit stocké à un incendie en cours. Ils équipent aussi bien les lignes de vidange - remplissage liquide que les lignes concernant la phase gazeuse. Le schéma ci-dessous en montre un exemple d'installation type

PHASE Vonne monue I le

s

a"

GAZ

IF usibl*

Filtre

I' Hui1e

Pompe

RESERYOIR Filtre

fusible AV,

Robinet fusible clapet de sicuriti

Installation type

Le clapet maintenu ouvert par une pression d'huile permet le passage du fluide . Par manque de pression d'huile, il se ferme sous l'action d'un ressort de rappel . La fermeture est immédiate., empêchant ainsi toute perte de produit. La fermeture peut être effectuée par fusible, par commande manuelle, par électrovanne, par relais oléo-pneumatique .

-Planche 1 a -

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J

2-

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT Les vues ci-dessous montrent 2 types de clapets utilisés suivant les diamètres des tuyauteries

Clapet de sécurité V 6

Clapet de sécurité 6139

8--10--14 -

Le clapet peut être monté, soit directement sur la tuyauterie à l'aide de 2 brides standards de série 300#, soit le plus couramment par l'intermédiaire d'une enveloppe extérieure série 300#, aJclt.,.vée,

cy0in.2 / cms 2f

2mba5 ,- r~

cAr aLLI:P,

Vue générale d'un clapet hydraulique avec enveloppe extérieure

Enveloppe extérieure

- Planche 1 b -

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J

1 . 1M Les pièces essentielles du clapet sont une embase bride un cylindre un piston un ressort des joints d'étanchéité Pour ouvrir le clapet de sécurité, il faut que la force exercée par la pression d'huile arrive à vaincre les forces antagonistes créées par le ressort et la pression régnant dans le stockage . Si la pression d'huile est suffisante, le cylindre est décollé de l'embase et le liquide peut circuler dans les deux sens . ' En cas de chute de pression du circuit hydraulique, le cylindre tend à venir en contact avec l'embase et assure l'étanchéité .

d }tai-fit v

, .

wartSe.

~y~rtalt~. ~o~tt 1

I

w

-J

C0K,

P ton fixe

du îlui.d.t.

Clapet fermé

-

7

Clapet ouvert

Pour des raisons de sécurité, le constructeur recommande de n'ouvrir les clapets que pendant les opérations de remplissage et de les manceuvrer au moins une fois par semaine .

- Planche 1 c -

LIq

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10 1 .1 M 3-

CIRCUIT HYDRAULIQUE DE COMMANDE Le circuit hydraulique avec ses auxiliaires possibles (pompes alternatives de mise en pression manuelles ou à moteur, électrovanne, relais oléo-pneumatique, réseau d'air, bouteille antipulsatoire, etc...) est adapté aux besoins de l'utilisateur. II est sensiblement différent d'une usine à l'autre . A titre d'exemple, un circuit hydraulique équipé d'un relais oléo-pneumatique est représenté cidessous .

Produit Exemple de circuit de commande du clapet de sécurité AA OU AZOTE COMMM4

Le relais oléo-pneumatique joue le rôle d'une vanne 3 d'un voies équipée servomoteur pneumatique .

-

ft TOUR WUKi

-

Planche 1 d -

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Si la pression d'air est suffisante le relais oléo-pneumatique maintient ouvert le circuit d'huile (Position A ---> B). Si la pression d'air baisse par - manque d'air - fusion des fusibles (75 °C) en cas d'incendie - commande à distance Le relais oléo-pneumatique se ferme et décomprime le circuit d'huile vers la caisse à huile (Position B --> C) ce qui entraîne la fermeture du clapet de sécurité .

- Planche t e -

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CLAPET LIMITEUR DE DÉBIT Le clapet limiteur de débit est un appareil de sécurité qui se ferme lorsqu'il y a dépassement d'un certain débit. II fonctionne en tout ou rien . II protège également l'ensemble amont lorsqu'il y a une fuite importante ou une rupture en aval . C'est un clapet mobile placé dans la veine d'écoulement du fluide . La position du clapet par rapport à son siège conditionne le débit.

- Planche 2 a -

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D CLAPET LIMITEUR DE DÉBIT

a - Clapet en position normale L'action du ressort est supérieure à la poussée Fo générée par la perte de charge du fluide .

b - Déplacement du clapet suite à une augmentation du débit L'action du fluide, augmente très rapidement, proportionnellement au carré du débit.

c - Fermeture du clapet, suite à une trop grande augmentation du débit

10 Fo

C

t~

ITATAXAii

- Planche 2 b ©1995 ENSPM Formation Industrie

L'action du fluide est très importante, seul un équilibrage des pressions amont-aval du clapet permettra son ouverture.

10

ID q- =10©

UN ROBINET À FERMETURE TÉLÉCOMMANDÉE OU AUTOMATIQUE " Détection de gaz "Toute détection de gaz inflammable à une concentration supérieure à 20 % de la limite inférieure d'explosivité doit déclencher une alarme perceptible par les personnels concernés. En cas de détection à une concentration fixée par l'exploitant, inférieure ou égale à 50 % de la LIE, l'ensemble des installations de sécurité doit être mis en état de sécurité consistant, sauf justification contraire, en la fermeture des vannes automatisées sur les canalisations de transfert, l'arrêt des pompes, compresseurs, moteurs et alimentation en énergie autres que ceux nécessaires au fonctionnement des équipements de sécurité et d'intervention" .

© 199 5 ENSPM Formation Industrie

=99© FORMATION INDUSTRIE

Réseau incendie

AT[ 11

UM

I I

1

I

1

I

1 1

I 1 I

VM FIR

Detecteur de gaz © 1994 ENSPM Formation Industrie

PROTECTION INCENDIE

12

III -

STOCKAGE DES LIQUIDES INFLAMMABLES (IM DU 9 Novembre 1989) 1 -

SÉCURITÉ FEU " Principes -- Tige de manoeuvre non éjectable -- Décompression automatique du fluide contenu entre le corps et la sphère du robinet -- Joints extérieurs résistants au feu -- Dispositif de manceuvre fabriqué dans un matériau de résistance au feu au moins égale à celle du corps -- Étanchéité en ligne métal-métal après disparitions des joints élastomères -- Tiges de montage robinets protégées - Tiges de fixation sur tuyauteries protégées

2-

SPÉCIFICATIONS ESSAIS DE RÉSISTANCE AU FEU Diverses spécifications d'essais sont utilisées . Pour les vannes 1/4 de tour

API 607-80 - UCSIP H 29 A API 607-85 Pour tous types de vannes API SPEC SFA 85 IS010497 AFNOR PRH 87-411-78 À titre d'exemple voir le tableau comparatif suivant .

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COMPARATIF ENTRE LES EXIGENCES "FIRE TEST"

PRINCIPAUX POINTS DE DIVERGENCE ELF AQUITAINE

BSIAPI 607-85 Fluide d'essai

Gazole

Eau

Contrôle préliminaire d'étanchéité sur ligne en température ambiante

Unidirectionnel

Bidirectionnel

Reproduction des conditions

Torches alimentées en Propane

Bac d'hydrocarbure placé

d'incendie

situées de part et d'autre du

sous le robinet puis enflammé .

robinet, assurant une montée en température rapide et très localisée. Pression<_~ Cessai

PN 20 Basse pression

2b

Haute pression

15b

Contrôle de ta pression à

I

PN 50 3,5 b

I

PN 20 1 b

37 .0 b

Non effectué.

l'intérieur du robinet fermé

PN 50 j

21 b

2b 55 b

La surpression maximale acceptée est

(' Chamrore morte" )

30 b pour le PN 20 77 b pour le PN 50 Une valeur supérieure peut cependant être acceptée si le constructeur la justifie par un calcul approprié

Fuite externe Fuite interne

Doit être inférieure à 100 cm3!'Imn .

Aucune fuite tolérée.

Vérifiée à haute pression .

Non recherchée .

. Admise jusqu'à 400 cm-V"/mn Pendant

Vérification effectuée dans un

fincencie

seul sens . Contrôle de la

Par calonmetres positionnes

température du

à distance de l'appareil,

Par sonde reliée à l'appareil .

corps Après fincenpie, sans manoeuvre

I I

Fuite externe

Vérifiée à basse pression .

(Aucune fuite tolérée.

Admise iuscu'à 20cm3rmn . Fuite interne

du robinet

Fuite externe Après l'incendie

Vérifiée à haute pression .

Vérifiée à basse et haute pression

Admise jusqu'à 20 cm3r/mn.

Admise jusqu'à 20 cm3/"/mn

Vérification effectuée dans un

Vérification effectuée dans

seul sens .

les deux sens

Vérifiée à basse pression .

Aucune fuite tolérée

Admise juscu à 20Ccm3i"lmn.

et après

Fuite interne

Non vérifiée .

Vérifiée à basse et haute pression .

manoeuvre

Admise jusqu'à 20 cm3rlmn.

du robinet

Vérification effectuée dans les deux sens .

i

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14 =9OC

ÉTANCHÉITÉ MÉTAL-MÉTAL Les robinets à tournant sphérique dans lesquels la lumière du tournant est circulaire.

Robinet à tournant sphérique L'étanchéité en ligne est généralement assurée par les joints en PTFE autorisant les températures de - 30°C jusqu'à 200°C maximum . Ce dernier type de robinet à tournant, remplace de nos jours, de plus en plus, les robinets à tournant cylindrique ou conique . Suivant leur construction, les robinets à tournant permettent d'effectuer un réglage de débit et un isolement . En effet, l'étanchéité est obtenue par le contact de surfaces qui ne sont pas soumises en totalité à érosion quand le robinet est partiellement ouvert.

sw~n_cZ5

-

CL.'ssuxaZLt .

Planche 3 a -

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15

En réglage, les modifications d'ouverture du robinet à tournant par le fluide process sont toutefois fréquentes. Dans la pratique, les robinets à tournant cylindrique et conique ne sont pas utilisés pour effectuer des opérations de réglage car les surfaces non érodées lors du réglage de débit sont faibles. Avec ces robinets le risque de perte du levier de manoeuvre est assez fréquent . Certains robinets à tournant sphérique conservent leur étanchéité pendant un incendie malgré la fusion des joints d'étanchéité en élastomère . II y a en effet contact métal-métal dû à la dilatation thermique du corps et du tournant .

Étanchéité avant incendie

Étanchéité pendant incendie

Robinet à tournant sphérique de "Sécurité Feu"

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COMMANDASLE À DISTANCE (Robinet 114 de tour)

" Motorisation électrique

MOTORISATION ÉLECTRIQUE équipée d'une commande manuelle de secours par volant BOÎTIER DE RAPPEL PAR RESSORT

MOTEUR ÉLECTRIQUE

incorporant - frein électromagnétique - contacts de fin de course - commande manuelle de secours par volant, le tout sous env eloppe ADF

moteur électrique

Frein éectromagnétique

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EN CAS DE PERTE D'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE, LE FREIN ÉLECTROMAGNÉTIQUE DÉSACCOUPLE LA MOTORISATION ET LE RESSORT DE RAPPEL RAMÈNE L'AXE DU RAMSES EN POSITION DE SÉCURITÉ

I

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uluuuuul

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Robinet - Clapet RAMSES (Trouvay et Cauvin)

- Planche 4 a -

©t°95 ENSPM Formation Industrie

- Planche 4 b -

©1995 ENSPM Formation ind ustrie

18

Fonction EXPLOITATION

'_EERVOIP i3 L

VANNE MOTORISEE

Fonction SECURITE POSITIVE

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STATIQUES

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Construit entièrement en acier, ce clapet est de type sécurité feu. En position d'ouverture, il ne gêne en rien l'exploitation normale de l'installation et n'occasionne pas de perte de charge significative . Lorsque les vannes existantes sont déjà motorisées, celles-ci ne sont pas fermées en cas de sinistre si l'on veut injecter de l'eau . Évite la vidange du bac . Le dispositif fusible thermo-cassant comprend une cartouche en acier doté d'un mécanisme piston/ressort avec axe sortant de la cartouche lorsque le fusible est rompu . Cet axe exerce une poussée sur le levier-casse et libère le clapet intérieur qui se ferme .

- Planche 4 c -

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MOTORISATION PNEUMATIQUE - Simple effet : fermeture par manque de fluide moteur -

C~ rclc dc b oiticrAG5

H, croruptcurs CROUZET 83160 0,12 104 250Vwec lev,cr 53 F

MOWé5 ct cablés

surploquctte support

Comes ~Ç~ivrdrc mxi iç^,5?C05Y33

Principe denloNoge de deux bottier ADF Tel émecarique type ZCBJV2 avec conlocts O.F . bipohire sirnullané

- Planche 5 -

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20

SÉCURITÉ POSITIVE 1 -

EN FONCTIONNEMENT NORMAL

Bloqué ouvert

2 -

Clapet sécurité

Bloqué fermé

EN CAS D'INCIDENT (incendie ou rupture d'alimentation électrique) II se met automatiquement en position de sécurité . II fonctionne alors comme un clapet anti-retour, s'opposant à l'écoulement du fluide contenu en amont ; il permet en outre la réinjection en sens 1 inverse. -1

EN CAS DE DESTRUCTION PAR LE FEU DE LA PASTILLE FUSIBLE, LA BILLE EST ÉJECTÉE ET L'ENSEMBLE TIGE-PISTON REMONTE EN POSITION DE SÉCURITÉ SOUS LA POUSSÉE DU RESSORT

Robinet,clapet RAMSES (Trouvay et Cauvin)

- Planche 6 -

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Robinet-clapet RAMSES de Trouvay et Cauvin

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FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

Risques et précautions liés au matériel

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ VANNES MOTORISEES EL

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T

L=j-Lsprir7 FORMATION ND%JSTPiE

- COUPE D'UN SE"OWOTEUR ET D'UN REDUCTEUR -

-11 H

Cet appareil est équipé d'un servo-"moteur et --d -'-un-réducte-ur.L'arbre d'enfrainement de ces appareils effectue une rotation de 90' .11 trouve ces applications par exemple dans la commande de robinet, registre, vanne papillon. . . .

Réducteur secondair e COUPE DUN SERVO-MOTEUR ET DUN REDUCTEUR CO~»E A MST»CE

Ce appareil en équipé d'un servo-moteur destiné à la commande à distance.11 présente de nonibreux perfectionnements exigés pour ce genre de matériel(élément de commande locale età distance, indicateur de position, commande extérieures ouverture,fermeture . . .)

Auto - ~ .rrcuilloge à la CO .Mande manuelle

Document JOUCONMTIC -

1- Contacts fin @ 1997 ENSPM Formation Industrie

de course

MY

FORMATION INDUSTRIE

COUPE D'UN MOTOREDUCTEUR

VUE ECILATEE DU MOTOREDUCTEUR Entraînement par moteur électrique 220 volts, 3000tr/mn avec des vitesses de sortie réducteur ajustables à la demande de 32 à 400 tr/mn, avec des couples transmis variables . Ces appareils sont équipés en standard d'un limiteur de couple . DOCUMENT AMRI © 1997 ENSPM Formation Industrie

D

FORMATION INDUSTRIE:

GENERALITES

Moteur (fig. A)

fig . A

Antidéflogrunt, normalisé à flasque bride, fermé, rotor en cour circuit. Couple renforcé au démarrage . Isolation classe E. 1500T/m, Courant triphasé 220/380 V 50 Hz . MOTEURS SPECIAUX . Sur demande

Réducteur primaire (fig. B)

Couple irréversible en acier et bronze haute résistance sous carte t-Le type H 1600 B comporte un réducteur supplémentaire par pigno entre vis sans fin et moteur.

fig . B

Limiteur de couple (fig . B) Assure l'arrêt en cas de surcharge accidentelle ou en fin de manwuvre si l'on désire obtenir une contrainte permanente .

Réducteur secondaire (fig . C) Couple vis sans fin et secteur en acier et bronze haute résistance sous carter fonte.

Butées réglables (fig . C) fig . C

En cas de commande manuelle ce dispositif évite à l'opérateur d'effectuer une rotation angulaire supérieure à celle prévue sur l'organe à commander. La rotation angulaire de l' arbre d'entrainement des servo-moteurs série H est de 90° ± 20 a maxi . (Pour moins de 709 les butées ne sont pas prévues) .

Commande manuelle (fig. D) Ce dispositif assure la sécurité de l'opérateur par désaccouplement mécanique de la partie moto-réducteur avant embrayage de lie com. mande manuelle. Sur les types H 20 DR et H 100 à H 1600 B un autoverrouillage maintient le système en position ; il s'efface lors de la mise sous tension du moteur . Le type H 1600 B peu être équipé d'une commande manuelle débrayable avec contacts de sécurité

© 1997 ENSPM Formation Industrie

© 1997 ENSPM Formation Industrie

FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

Risques et précautions liés au matériel

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ CAPACITÉ

SÉPARATEUR TRIPHASIQUE HORIZONTAL .. ... .... . ... .,., . ... . ., .. .. .,.. . ..., . .. , .., . . , . ,1 DÉSHYDRATEUR D'HUILE ÉMULSIONNÉE.... . ... . ... . ... . .. . ..., ..., .,. . . ... . .. . . .,., . .. .  .,. . .. . . .,. ,., 2 COLONNE À DISTILLER À PLATEAUX.. ....,.. ... . ... . .. .. .. . . ... .... . . . . . . ... . .... ... . . ... . ... . . .. . . ... . ... . ... . ... 3 - BALLON DE FLASH HORIZONTAL (SUR BRUT) .. .... . ... . ... . .... . ... . .... .... . .. . .,. .. ..., . ..., ... .,.. . .,. . ., 4 BALLON DE FLASH VERTICAL (SUR BRUT)... . ... . .... .... . .. . . .... . ... . .. . . .... .... . ... . ... ., ... . ... . ... . .. . . . .5

Ce document comporte 6 pages

12/1211994

0 1994 ENSPM-Formation Industrie

Révision 0

SÉPARATEUR TRIPHASIQUE HORIZONTAL - Huile, eau, sédiments -

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© 1994 ENSPM-Formation Industrie

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DESHYDRATEUR D'HUILE ÉMULSIONNÉE - Treater Heater Vertical -

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COLONNE À DISTILLER À PLATEAUX

POTENCE

soupape de sûreté

sortie va peurs (-é en r r

TROU D'HOMME à bossoir

tourillon de levage seuil régi able'\ indicateur de passerelle , ` temp érature alimentation

évents d e jupe p3m-a-g e de tubulure

sortie fond de tou r accès dans jupe

© 1994 ENSPM-Formation Industrie

-, 50

BALLON DE FLASH HORIZONTAL - sur brut -

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© 1994 ENSPM-Formation Industrie

r ~ O W N +~ tic . .-

U

Sortie du gaz

Entrée tangentielle

Particules coulant en spirale à la paroi

Sortie des particules Description sommaire d'un cyclone à rebours .

BALLON DE FLASH VERTICAL - sur brut --

CWHS or vane-type mist eliminator

SECTION 'A-A' Wear Plate Core Area

Location of second inlet nozzle if required -

_ SECTION 'B-B'

Anti-swirl baffles

SECTION "C-C"

NOZ ZLES A CONNECTIONS SERVICE NO . IN

Feed Inlet Liquid Outlet Vapor Outlet

ICN 2CN 3CN

LC/LLA/LHA (2) LG (2) LG (2) LG (2)

2N 3N

L © 1994 ENSPM-Formation Industrie

Risques et Précautions liés au Matériel

ErLsvUl

FORMATION INDUSTRIE_

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

F -

RES LIQUÉFIÉS

.. . .. ... ... .. 1 DIFFÉRENTS TYPES DE STOCKAGE ... . . . .. . . . .. . .. . .. . .. .. . ... ... .. . . .. . .. .. . ... . .. ... . . . . .. ... . .. . .. ... . . . . .. . . .. . . . .. . .. . . . . ... . .. . .. .. . . . . ..2 II - STOCKAGES CRYOGÉNIQUES .. .. . . . .. . .. . .. . .. .. . .. . .. .. . .. . . . .. .. . .. .. . ... . . . .. ... .

I

-

. ... .. .. .. .. . ... . . .... ..2

. 1 - Stockage aérien . . .. ... .. ... .. ... .. .. ... ... . . ... .. .. ... .. ... .. ... .. . . . .. .. ... .. . ... ....... ........ ........ .................... ... . ...... .... .... ..... .. . . .. .. . . . .. .. . .. ..4 . .. .. ... .. .. .... . .. . .. 2 - Stockage en cavités réfrigérées ... .. ... .. .. . .. .. . .. . .

AMBIANTE . .. . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . """" . ... . ... ."" 5 /III - RÉSERVOIRS SOUS PRESSION À TEMPÉRATURE .. .. .. .. .. .. ... .. .. . . . . .. .. .. ..... .. ..... .. ... .5 1 Les réservoirs cylindriques («Cigares") . .. . . ... .. ..... . .. .. .. ... .. .. . .. .. ... ..,. . . . .. .. ... .. .. .. .. . .. . . .. .. .. ... .. .. ... . . . .. .5 .. .. .. . .. .. . .. .. . . ... . . . ... . .. ... .. ... .. .. .. Les sphères ... .. .. . .. .. .. . .. .. .. ... .. . .. .. ... .. ... .. . 2 pression .. .. ... .. .. .. . .. .. .. ... . . ... .. ... .. .. .. .. . .. .. .. .. . . ... .. .. . .. .. . .. .. ..... .. . .. .. .6 Équipements des réservoirs sous 3 . . .. .. .. ... .. ... .. ..., .. . . .. .. .. ... .. ... . . .. .. .,.. . .. .. ., .. . .. ...7 . . ... .. ... .. .. ...,. .. . ... .. .., .. ., . Les stockages souterrains .. .. ... . . . . . . .. . .. . ..7 Stockages sous talus (réservoirs sous talus : RST) . .. .. . .. . . . .. .. . . .. .". .. . "" .- .. ". .. .. . .. .. ."""""" 5 .. ...9 Les réservoirs de propane petit vrac et les bouteilles . .. ... .. .. ... .. ... . . .. .. " . .. .. ". ... .. .. .. ... .""." .".. . . 6

PRESSION .. . .. . .. .. . . .. ... .. . . . ... .. . ."" . . .. .... .. ... ."""'°" .""" .10 IV - STOCKAGES RÉFRIGÉRÉS SOUS DÉPRESSION . .. ... . .. . .. . .. . .. ... ." . ... . .." .. . . . ... . .11 V - TENUE MÉCANIQUE À LA PRESSION ET À LA cigares . .. ... .. .. . .. .. ... . . . ... .. ... .. .. .. ... .. .."' ."""' . .. .11 1 - Réservoirs de stockage sous pression : sphères, . . .. ... . ."" ."' . .. .. .. .. . ..' . . ... ... .11 2 - Bacs de stockage réfrigéré et cryogénique . .. .. .. . .. .. .. .. . . ... ...." ... .......... .... ........ ...'." .. ... .. .... .. .. .. ... . . ... .. .. ... ..11 3 - Wagons-citernes et camions citernes .. . .. .. ... .. ... . . .. ... .. .. ... .. . ., . . . .. . . . .. .. .. ... .. .. ... .. .. .... . .. .. . .. .. . .. .12 .. ... .. ... .. ... .. .. 4 - Précautions .. . .. ... .. .. . . . . . .. ..... ..... .. ... ..... .. . .. .. . .. .. . .. .. . . .. ..

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11/4/2000

Rev . 2

D I -

DIFFÉRENTS TYPES DE STOCKAGE Les gaz liquéfiés sont stockés en tenant compte de leur tension de vapeur à la température de stockage ce qui conduit à 3 grands types de stockage -

les stockages sous pression où les gaz liquéfiés sont stockés à la température ambiante Exemple GAZ LIQUÉFIÉ

TEMPÉRATURE

PRESSION

Propane

Ambiante

= 7 bars rèl .

les stockages réfrigérés sous pression où les gaz liquéfiés sont stockés à des températures voisines ou inférieures à 0°C Cela permet une réduction importante de la pression de stockage dans le cas de produits volatils . Ces stockages réfrigérés sont aussi utilisés dans le cas de gaz liquéfiés présentant des températures critiques basses ou des risques de polymérisation et d'instabilité chimique à chaud . Exemples

-

GAZ LIQUÉFIÉ

TEMPÉRATURE

PRESSION

Propylène

0°C

- 4,8 bars rel.

Butadiène

0°C

les stockages cryogéniques pour les gaz incondensables à la température ambiante . La pression de stockage est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. La température est alors voisine de la température normale d'ébullition du produit. GAZ LIQUÉFIÉ

TEMPÉRATURE

PRESSION

Éthylène

-103°C

45 mbars

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1,1A

11-

STOCKAGES CRYOGÉNIQUES 1 -

STOCKAGE AÉRIEN

Le dessin ci-dessous représente les éléments constitutifs d'un réservoir cryogénique . Tôle d'étanchéité gaz Plafond suspendu

Coupole en béton

Virole en béton précontraint Enduit d'étanchéité

Panneaux d'isolation

Bac de stockage cryogénique Un bac de stockage cryogénique est composé de 2 enveloppes une enveloppe intérieure souple en matériau résistant aux basses températures . aluminium acier à 9 % de nickel acier inoxydable ( ex : 18 % Cr 110 % Ni) pour les très basses températures . Dans le système Technigaz une membrane gaufrée confère la souplesse nécessaire pour absorber les contractions lors de la mise en froid . - une enveloppe extérieure, en acier de qualité courante ou quelquefois en béton armé précontraint, qui assure la résistance mécanique. Le toit intérieur est généralement plat et suspendu au toit bombé de la cuve externe.

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Entre les deux enveloppes un matériau isolant diminue l'échange thermique entre le liquide stocké et l'atmosphère qui a tendance à être très fort en raison de la grande différence de température. Les efforts mécaniques sont reportés par l'intermédiaire de l'isolant sur l'enveloppe externe.

Epaisseur :~1,2 mm

Membrane acier inox Panneau d'isolation Atmosphère sous azote Détail de la paroi

Détail de la membrane gaufrée (système Technigaz)

L'isolant latéral est de la perlite, du chlorure de polyvinyle expansé à cellules fermées ou plus rarement de la laine de verre. L'isolation du fond peut être constituée de blocs de "Foam Glass" . Celui-ci repose soit sur des pieux soit à même le sol ce qui nécessite un réchauffage électrique afin d'éviter les déformations dues au gel. S'il y a rupture de la paroi interne, l'enveloppe externe permet de contenir le gaz liquéfié . Pour accroître la sécurité, généralement cette enveloppe ne comporte aucune ouverture dans ses parois latérales ou son fond . Toutes les canalisations (conduites de remplissage, de gaz d'évaporation, de fluides auxiliaires, . ..) pénètrent dans le réservoir par le dôme . Les pompes de vidange sont donc immergées. Afin d'éviter des stratifications dans le contenu du réservoir, le remplissage peut être fait à la fois par le haut "en pluie" et par le bas "en source" par une conduite descendant jusqu'au fond du réservoir.

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L'espace entre les 2 enveloppes peut-être balayé par de l'azote pour éviter l'accumulation du gaz en cas de fuite. Soupapes de respiration

Ces réservoirs sont équipés de tous les appareils instruments et accessoires permettant leur exploitation en sécurité mesures de température

niveau

et

de

mesures et régulation de la pression dans le bac (- 50 mbars) mesure et régulation de la pression d'azote inter barrières (- 20 mbars) et système de détection des fuites soupapes de surpression (- 50 mbar) et de dépression (- 5 mbar) sur le bac en cas de défaillance soupapes de surpression inter barrière circuit d'arrosage au sommet de coupole.

Le stockage à basse température du produit provoque en continu une légère évaporation qui permet de maintenir la température constante . II est nécessaire de recondenser ces vapeurs pour limiter les pertes au stockage ce qui nécessite un compresseur dans le cas de propylène-propane un cycle frigorifique dans le cas de produits plus volatils tel que l'éthylène .

2-

STOCKAGE EN CAVITÉS RÉFRIGÉRÉES Creusées à la surface du sol, elles ont leurs parois réfrigérées à la température de liquéfaction du gaz stocké . Elles exigent la mise en place et le fonctionnement permanent d'appareils de réfrigération qui compensent les pertes calorifiques .

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III-

RÉSERRVOIRS SOUS PRESSION À TEMPÉRATURE AMBIANTE La pression de stockage est la tension de vapeur à la température ambiante et dépend uniquement - de la nature du produit stocké - des conditions atmosphériques Cela concerne -

les réservoirs cylindriques les sphères les stockages souterrains les stockages sous talus les réservoirs petit vrac de propane et les bouteilles de propane et de butane commerciaux

Vue extérieure de réservoirs sous pression La réglementation actuelle interdit la construction de nouveau réservoir aérien de plus de 500 m3 et sous talus de plus de 10000 m3.

1-

RÉSERVOIRS CYLINDRIQUES AÉRIENS ("CIGARES") Ils peuvent être installés verticalement ou horizontalement . Ils ont une capacité limitée (jusqu'à 500 m3) et sont très sensibles à la misé sous vide. Les équipements rencontrés sur ces capacités sont identiques à ceux équipant les sphères.

2-

SPHÈRES La forme sphérique permet de mieux utiliser la résistance de la tôle et d'obtenir un moindre coût d'investissement . La gamme de capacités réalisables va de 200 m 3 (- 7 m de diamètre) jusqu'à 7000 m3. Le quotient de la surface extérieure par le volume est inférieur de 88 % à celui d'un cylindre de même volume ce qui réduit les échanges de chaleur avec l'air ambiant.

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3-

ÉQUIPEMENTS DES RÉSERVOIRS SOUS PRESSION Le schéma ci-dessous représente les principaux équipements d'un réservoir sous pression .

H Évent prise échantillon

L

Soupapes de sécurité

Prise d'échantillon Remplissage Purge Organes de sécurité (internes ou externes)

s

Soutirage

U

ô

Cela concerne la ligne de vidange située en partie inférieure la ligne de remplissage située en partie inférieure (dans ce cas c'est souvent la même ligne que la vidange) ou en partie supérieure une ligne éventuelle d'équilibre en phase gaz les mesures de niveaux, de température et de pression les alarmes de niveaux et de pression les soupapes de sûreté contre les surpressions les protections incendie les sécurités complémentaires des canalisations d'exploitation en phase liquide

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4-

STOCKAGES SOUTERRAINS Les gaz liquéfiés sont stockés dans des cavités creusées dans la roche (calcaire, craie, .. .) à partir d'un puits central ou à partir d'une rampe d'accès. Généralement les cavités sont constituées d'un réseau de galeries. La profondeur de stockage est telle que la pression hydrostatique crée par l'eau assurant l'étanchéité est toujours supérieure à la tension de vapeur du gaz liquéfié . Les mouvements de produits sont assurés par des pompes et canalisations descendues dans les cavités par les puits d'exploitation . Des pompes d'exhaure effectuent l'extraction des eaux d'infiltration . La planche 2 montre deux exemples de stockages souterrains. Ils permettent le stockage de grande quantité de gaz liquéfiés en toute sécurité. En sortie l'élimination de l'eau est nécessaire - coalesceur jusqu'à une teneur de 0,04 - secteur à chlorure de calcium pour atteindre les spécifications

5-

STOCKAGES SOUS TALUS (Réservoirs sous talus : RST) II s'agit de réservoirs dont les parois sont recouvertes avec une couche protectrice à l'égard des effets thermiques et mécaniques . Cette couche protectrice a une épaisseur minimale de 1 m de matériau dense et inerte (terre, sable, matériau composite) . Généralement tous les piquages et canalisations débouchent de la paroi en partie haute ce qui nécessitent des pompes de soutirage immergées .

immergée, la Dans le cas où le pompage est du type "soutirage en point bas" sans pompe présence d'un clapet hydraulique de fond est exigée. De plus sur la ligne de soutirage une vanne à de haut boisseau sphérique, à sécurité positive, est installée en casemate et asservie à un détecteur sur la ligne. débit. Une autre vanne à sécurité positive est installée 3 m plus loin

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46 mètres

Po1eaun md ta !Uouoa

Rennb bie DaHe d'assise bâton

Stockage de gaz liquéfiés sous talus

.^

Équipements de la partie supérieure d'un stockage sous talus

0D2000ENGP M Formation Industrie

D 1,1A 6-

LES RÉSERVOIRS DE PROPANE PETIT VRAC ET LES BOUTEILLES Les tableaux ci-dessous indiquent les caractéristiques dimensionnelles des citernes de propane petit vrac et des bouteilles de propane et butane commerciaux . 500

1000

1750

Contenance (litres)

1140

2280

3998

Diamètre extérieur ('mm)

800

1000

1200

Longueur totale (mm)

2500

3200

3950

Charge propane en kg

Réservoirs propane petit vrac Construit après le 1 .01 . 1980 Norme NF M 88-706

9uTANE" BD-

CARACTÉRISTIQUES DES BOUTEILLES Normes NF M 88 701 M 88 702 M 88 704

PROPMIE PROFANE " G.

PMPANE

Diamètre extérieur de la bouteille (mm)

300

310

310

300

Hauteur hors-tout (mm)*

572*

603*

602

1428

Poids à vide (approx. (kg)

10

13

13

35

bleu

alu

alu

alu

13

13

13

35

Capacité (dm 3)

16,5

30,6

30,6

83

Épaisseur mini de la tôle (mm)

1,9

2,25

2,25

3

Résistance mini de la tôle (N/mm2)

363

363

363

363

Pression mini d'éclatement (bar)

57

84

84

84

Pression d'épreuve (bar)

15

30

30

30

une à une

une à une

une à une

une à une

Couleur Charge nominale (kg)

Vérification par le Service des Mines) * anse rabaftue

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IV -

STOCKAGES RÉFRIGÉRÉS SOUS PRESSION Dans l'état actuel des techniques, les stockages réfrigérés sont essentiellement aériens et concernent les sphères et les cigares. Ils sont bien entendu calorifugés .

Calorifuge

Sphère réfrigérée calorifugée Le stockage à basse température du produit provoque en continu une légère évaporation qui permet de maintenir la température constante. Comme pour les stockages cryogéniques, les vapeurs émises doivent être recondensées pour minimiser les pertes .

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V-

TENUE MÉCANIQUE À LA PRESSION ET À LA DÉPRESSION Les épaisseurs de parois des capacités de gaz liquéfiés sont déterminées en tenant compte des critères de calcul (pression interne à supporter, température de service, forme et dimensions) et des caractéristiques de l'acier employé. La tenue mécanique à la pression et à la dépression (ou au vide) du matériel de stockage et de transport de gaz liquéfiés estfonction de ces critères et de l'équipement concerné .

1-

RÉSERVOIRS DE STOCKAGE SOUS PRESSION : SPHÈRES, CIGARES La tenue à la pression ne pose pas de problème puisque ces réservoirs sont protégés par des soupapes de sécurité dont la pression de tarage est bien entendu fonction des produits stockés. Exemple : pression de tarage des soupapes sur une sphère de propylène - 21 bars . La tenue à la dépression dépend de la capacité : les cigares résistent très peu au vide (0,1 bar maxi) certaines sphères résistent peu au vide, d'autres sont calculées pour résister à un vide de - 0,6 bar et parfois jusqu'au vide "total" .

2-

BACS DE STOCKAGE RÉFRIGÉRÉ ET CRYOGÉNIQUE La tenue à la pression varie de 50 mbar à 300 mbar . La tenue au vide est extrêmement limitée : - 5 mbar .

3-

WAGONS-CITERNES ET CAMIONS CITERNES a - Wagons-citernes liquéfié transporté . Les pressions de calcul prises en compte dépendent du gaz de propane et de butane commerciaux À titre d'exemple, les pressions de calcul des wagons-citernes sont indiquées dans le tableau ci-dessous Pression de calcul sans pare-soleil

Pression de calcul avec pare-soleil

bvagons de cite mes de propane

18 bars

16,6 bars

Wagons de citernes de butane

9,3 bars

8 bars

Tm

= 50°C

Tmax = 40°C

wagons-citernes de butane et 15 mm Les épaisseurs qui en découlent sont d'environ 8 mm pour les pour ceux de propane. pas du tout à la dépression, d'autres La tenue au vide dépend des wagons . Certains ne tiennent résistent à 0,3 bar, 0,6 bar et même le vide total . b - Camions-citernes ont donc les mêmes capacités Les camions-citernes sont dimensionnés suivant les mêmes critères et de tenue mécanique,

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12

4-

PRÉCAUTIONS Température de calcul, pression de calcul et pression d'épreuve sont des caractéristiques officielles qui figurent sur les plaques de propriétés apposées sur les capacités. II est nécessaire d'avoir continuellement à l'esprit ces valeurs et de les respecter, et ce, quelles que soient les conditions d'utilisation (exemple : vidange d'un camion-citerne par pressurisation).

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DI

41A

- Planche 1BAC D'ÉTHYLÈNE ATMOSPHÈRIQUE

Passerelle diamétrale

Dôme béton EP = 300

Laine de verre EP = 750

Garde fou

Dome acier EP = 5,5

Mousse de polyurethane EP= 100 Double paroi atm . gazeuse EP =1350 Laine de verre EP =150 Tôle acier à 9 de nickel

4 U

Dalle béton EP = 550

Acier â 9 % de nickel Sable sec Verre cellulaire "foam glass" Sable sec Acier à 3 % de nickel Sable sec Verre cellulaire "foam glass" Acier

ô

EP EP EP EP EP EP EP EP

=5 = 50 = 500 =15 =5 =15 = 200 =15

Nota : les dimensions sont exprimées en mm © 2000 ENSPM Formation Industrie

Volume =10000 Dint Hint

= 24000

= 22780

m3

-

Planche 2b -

SCHÉMA ÉQUIPEMENT PUITS EXPLOITATION D'UN STOCKAGE SOUTERRAIN

Vers traitement, séchage et expédition Vers évent et réfrigération . Propane de réfrigération

Remplissage propane

Niv . d e réf . 0 = 31,30 NGF Packer ' Plateforme - 3 m

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i

Bouchon argile =125,90 r. . Bride pleine étanche TI/31 a -132,35 LA/9k . HH Propane liq ./gaz - Alarme -134,50 LA/9g . H Propane liq ./gaz -Alarme -135,00 TI/31 b -137,60 TI/31c -142,50 ; TI/31 d -142,80 secours LS/eh -142,60 - Arrêt pompes propane LA/9aH Prop/Eau -Alar . haut Eau - 142,60 . LS/8aH Marche pompe Eau - 142,70 LA/9h LL Prop . liq./gaz Ala . très bas - 142,80 LS/8b L Arrêt pompe eau - 143,70 LA/9b L Propane/eau - Alar, bas eau -148,20 LZ/9c HH Arrêt pompe prop . AL très h. eau -148,20 LZ/9d H Prop . eau - Alar . jaut eau -148,40 -148,60 LS/13d H Marche pompe eau LS/8f. L Arrêt pompe eau -151,60 LA/9f. L Prop . eau - Alar. bas eau -151,80

- 134,90 ü: Vers galerie de stockage -142,60 Trou dons pot emplissage Dernier trou casing alarme Niv . aspirat . pompes propane Aspirat . pompes propane Aspirat . pompes eau Fin casing Alarmes Fin casing bullage Fin casing Propane

-151,60 -151,60

-152,45 -153,80 -155,85 0 PUITS = 4 m

Fin casing Eau Fond du puits A -163,10 m

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STOCKAGE SOUTERRAINS DE GAZ LIQUERES

de propané liquéfié (80 000 M3) ELF - DON E

IOCtcage

tcckaga de 1)utane llqub11is (180 t100 m3 ) - GECBUTANE LAVERA @ 1991 ENSPWForrrsaliOn

InduVrie

STOCKAGE SOUS-TALUS DE PROPYLÈNE - Planche 3 e

900Odd (I

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r

O (n tn inN N d 12 . eU .~ Q 2 Q- -O ci) a

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MMF

Risques et Précautions liés au Matériel

FORMATION INDUSTRIE

TUYAUTERIE - ROBINETTERIE - CAPACITÉ

Ingénieurs en' Sécurité Industrielle

STOCKAGE DES HYDROCARBURES LIQUIDES

ASPECTS DE TECHNOLOGIE COMMUNS AUX DIFFÉRENTS TYPES DE BACS . .. . . .. . .. . . .. . 1 1 2 3 4 5

-

Principaux élléments constitutifs . . .. .. ...... .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. .. .. . . . . . . . . . . . .. .. . . . .. .. . .. ..... . . .. .. . . . .. .. .. ...... . .... .. .. ..1 Fond de bac ...... . . . . . . .. .. .. .. .. .. .. .. . ... .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .... . .. .. . .. .. .. .. .. . . . .. . . .. .. ... .. .. .. . .. .. .. .. .. ... .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. ..1 Robe de bac .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .... .. .. .. . . .... ... .. .. .. . .. .. .. .. .. . . . .. .. .. .. . .. . . .. ..... .. .. .. .. ... .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. ..2 Ceinture . .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. . . . ... .. .. .. . . .. .. .. .... . . . ... ... .. .. .. .. ..... .. .. .. .. .. . .. . . .. . . . .. .. .. . ... . .. ... .. .. .. .. .. .. .. . . . .. ..3 Toit . .. .. .. . .. . . . . .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . . . ... .. .. . . . . ....... .. .. . . .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. .. . .. ... . .. ..... .. .. .. .. . .. .. .. ... .. .. .. .. ... .. ... . .. . 3

BACS À TOIT FIXE .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . .. . . .. . . . .. . . .. . . . . . . .. . .. .. . .. . . .. . . .. . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . ... . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . .. 4

1 - Toit fixe . .. . .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. .. .. . .. .. . . ... . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. .. . . .. . . .. .. .. . .. .. .. . . . ... . .. .. . .. .. .. .. ... .. .. .. .. . . . .. .. .. . . . .. .... .. .4 2 - Autres équipements .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . . ... .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. .. ... .... .. .. . .. .. .. . . . .. .. . . . . . .. .. . . .. .. .. .. ..6 BACS À TOIT FLOTTANT ... . .. . . .. . . .. . . . . . .. . . .. . . .. . . . ..

. . . .. . . .. . .. . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . ... . . . . . . . .. . . .. . . .. . . ..11

1 - Toits flottants .. .. ... .. . . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. . . . ... . .. .. . .. .. .. .. .. .... . .. .. .. . . . .. .. . . . .. .. . . .. .. ..... .. .. ..... . . .. .. .. .. .11 2 - Autres équipements .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. .. ... .... .. ... .. .. .. .. . . . . . . . .. ..... .... .. . . . .13 PROTECTION CONTRE LES RISQUES D'INCENDIE DES BACS . . . . . . . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . .. . .. . . . .17 1 - Dispositif d'arrosage des bacs .. . . .. .. .. ... . .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. . . ... . . . .. .. . .. .e .. .. ..... . .. .. .. . . . .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. . . . ..17 2 - Dispositif d'injection de mousse . . .. .. .. ... . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. . . .. . . . . .. .. . . . .. .. .. .. .. . . .. .. .. . . . .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. . ..17 RÉCHAUFFAGE-- MAINTIEN EN TEMPÉRATURE . .. . . .. . ... . . .. . . .. . . .. . . . . .. . . . . ... . ... . . .. . . . .. . . .. . ... . .. . . .19 1 - Les systèmes de réchauffage ...... .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. . . .. .. .. .. .. .. .. .... . .... . . .. .. . . . .. .. .. .. . . .. . . ..19 2 - Les serpentins de réchauffage .. . . .. .. .. .. .. .. . . . . . . .. .. . . .. . . . . . .. .. . . .. .. .. .. . .. .. .. .. . . . .. . .. .. .. .. . . . .. .. .. ..... .. .. .. .. .. .. .. .. .20 MATÉRIEL D'HOMOGÉNÉISATION .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . . . . . .. . . .. .. . . . . . . .. . . ... . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. . . ... . .. . . . 22 1 - Objectif de l'homogénéisation ... .. .. .. .. ... .. .. .. .. .... .. .. .. .. ..... .. .. .. .. . .. .... . . .. . . . .. . .. .. . .. .... .. .. .. .. .. . . . .. .. .. .. .. .. .. ..22 2 - Techniques d'homogénéisation . .. . ..... .. . . . .. .. .. .. .. .. .. .. . . . .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. .. . . . .. .. . .... .. .. . .. .. .. .. .. .... .. .. . .. .. .. .. .22

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Rev. 2

J

I -

ASPECTS DE TECHNOLOGIE COMMUNS AUX DIFFÉRENTS TYPES DE BACS 1-

PRINCIPAUX ; ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS II s'agit de réservoirs cylindriques constitués

- d'un fond généralement bombé

- d'une robe ou virole - d'un toit fixe ou flottant - de différents accessoires : échelle d'accès, soupapes de sûreté, protection contre l'incendie, réchauffeurs

2-

FOND DE BAC Le fond de bac est construit en plaques de tôle se recouvrant aux extrémités où elles sont soudées entre elles. Certains fonds de bacs sont protégés par une ceinture bitumineuse interne. Le fond de bac doit être conçu pour permettre une vidange aussi complète que possible, ainsi que les purges d'eau et de dépôts . Pour cela on lui donne une pente d'environ 1 â 2 % qui est dirigée soit vers le centre (fond concave) soit vers la périphérie (fond convexe) . Bacs de petits diamètres = fond concave. Bacs de grands diamètres = fond convexe (afin de faciliter les opérations de nettoyage, extraction de dépôts au voisinage des trous d'homme) . Le fond repose sur une galette de gravier ou de sable revêtue de bitume . BAC

r

Mélange de bitume et de sable Merlon Cuvette de drainag

o ~0 .< 0 ~0 _0, . o ~ y. y :o y. y : o~ .ô ~. 0 . o . . ô .o O . .Oc~. . o ô O . 'O. ô . o . . ô .o O . 'O. 1~ . O . 52 ' O . .0 . _ . '~ . O . .0 . O . .0 . .. P. . . . .o_ O , 0p0 .O O *. O .0-0 . .O .0. 000 . 0 '. .O

Lit de sable en couche uniforme Fondation

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Exemple de fondation de bac

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0 ô C3w 0

3-

ROBE DE BAC

La robe de bac est constituée par un empilage vertical de bandes de tôle soudées bout à bout, de largeur 1,5 à 2,5 m et de longueur pouvant atteindre 10 m. La robe est calculée pour résister à la pression latérale qui s'exerce sur elle quand le bac est rempli d'eau (épreuve) ou du produit, si ce dernier est plus lourd que l'eau . L'épaisseur minimum de la robe doit assurer en plus la résistance au vent latéral et aux tremblements de terre. Un réservoir de stockage est relativement vulnérable et peut s'affaisser en cas de grand vent, s'il n'est pas conçu pour y résister. Le schéma ci-dessous montre que l'épaisseur de la robe varie de la base au sommet . Sauf cas particuliers, les réservoirs ne sont pas calculés pour résister à une dépression supérieure à quelques millibars.

Tôles du toit ,"----Anneau de renforcement

6 - 9,5 mm .®

Virole supérieure 5® virole

--Tôles de la robe

Capacité . .. .. . . . . ... . . . . ... . . :12 800 m3 - 90 000 m3

a -4e virole

Diamètre . .... . . .. ... . . . ... ... : 33,5 m - 82 m

a-

Hauteur... . . . .. . . . . . . .. . . . ... : 14,5 m -18 m

3e virole

Épaisseur des tôles . .. .. : 16 mm - 31 mm

16-31 mm

,,.,

®--Virole inférieure Tôles du fond

Tôles périphériques

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ô

â aW

4-

CEINTURE Les ceintures de renforcement sont nécessaires sur tous les réservoirs pour qu'ils conservent leur forme cylindrique: lorsqu'ils sont exposés aux vents les plus violents. Pour les bacs à toit fixe, les plaques de toit sont fixés sur la ceinture de renforcement . Pour les bacs à toit flottant, la ceinture de renforcement est destinée à empêcher la déformation des parois .

Dimension déterminée par le diamètre et la hauteur du réservoir

Virole de la robe

Equerres

5-

TOIT Le sommet des réservoirs est recouvert d'un toit qui peut être soit fixe, soit flottant. Quand le bac est destiné à stocker de l'eau, le toit est très souvent supprimé .

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II -

BACS À TOIT FIXE 1 -

TOIT FIXE Le réservoir équipé d'un toit fixe du type conique, en ombrelle, ou en parasol, est le plus économique à installer. Le toit fixe est d'une construction simple et, selon la taille du réservoir, il peut être du type autoportant ou non. Le toit autoportant conique a à peu près fa forme d'un cône droit très plat et n'est supporté qu'à sa périphérie . II n'est utilisé que pour des réservoirs de petits diamètres . (Même remarque pour toits autoportants, en dôme, ombrelle ou parasol) . Le toit conique supporté a approximativement la forme d'un cône . Les tôles du toit sont supportées par des profilés disposés en parapluie, supportés eux-mêmes par des profilés concentriques reposant sur des rangées de poteaux intérieurs . Plus le réservoir est grand, plus il faut de rangées de poteaux pour supporter le toit.

Plaques de toit Poutre

Support

Colonne Toit

Support / périphérique

Robe

F1,110po1 FIIJAV 2 ./00,0,oposod. V01 .1,14010040jo V/040, 0, AV1 .1,041 Puisard

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N

RÉSERVOIR À TOIT FIXE - Type GIS -

Mesure de niveau

Trou d'homme

Prise d'échantillons ~Entrée et sortie produit

Élévation

Trou d'homme

Sortie et arrivée produit

Vue de dessus implantation des tubulures © 2000 ENSPM Formation Industrie

2-

AUTRES ÉQUIPEMENTS a - Les évents Évacuation de l'atmosphère gazeuse (gaz + air)

Lors du remplissage ou de la vidange d'un réservoir, il faut éviter toute surpression ou dépression dangereuse .

Remplissage

II en est de même lors des variations de température qui provoquent des dilatations ou des contractions de volume de liquide stocké .

Hydrocarbure -------------------

Pluie

Entrée d'air frais

Vidange

a NO 0

Refroidissement Neige -~ , , .. " "; ." . °.nocturne .0 $ â"a

M a.eaa aÂ~a .OSa .~» a aat a

l j 7I

a ôa 0

Baisse de température

Élévation de température

Les évents équipent les bacs stockant des produits peu volatils et non toxiques.

Le nombre et la dimension des évents est fonction des débits de phase gazeuse à évacuer et d'air à admettre . N O

0 W

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b - Les soupapes de respiration Le choix d'une soupape s'effectue en fonction du débit de passage admissible et de la pression ou de la dépression que peut supporter le réservoir. Le tableau ci-après donne quelques caractéristiques de pression et de dépression admissibles suivant le type de bac.

Groupe

Appellation

G1 (conique)

(bombé)

Résistance (en mbar) à la pression

la dépression

Type de produits stocké

Basse pression toits coniques

5

-2,5

non volatils (gazole)

Moyenne pression

25

-5

volatils (essence)

Imp ü_III

///

Exemples de soupapes à double effet Clapet

protection contre une dépression

Clapet

protection contre une surpression

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N O W 0

Clapet

protection contre une dépression

Clapet

protection contre une surpression

Grille de protection

N O W 0

Vapeur de produit

En général, les soupapes sont protégées par un grillage pour éviter toute cause de blocage (feuilles, oiseaux, ...). Lai soupape possède une courbe caractéristique débit-pression qui est fonction de son diamètre nominal ainsi que du profil des clapets . c - Les moyens de protection contre les surpressions accidentelles

(gel, Lors de circonstances exceptionnelles, telle qu'une explosion, une défaillance de la soupape, les du bac. Parmi une protection bouchage, etc . . . ), une fausse manoeuvre, . . ., il faut assurer dispositions prises pendant la construction, les plus usuelles sont déchire une membrane de sécurité constituée par un disque mince qui se

d'homme, qui se un clapet d'explosion, analogue â un opercule mobile de trou dès que la automatiquement referme soulève pour assurer l'échappement et se pression est redevenue normale aux tôles voisines est réalisée une tôle de déchirure qui est une tôle dont l'assemblage de surpression c'est cette tôle qu'en cas par un cordon de soudure très faible de sorte tôles de déchirure peuvent être plusieurs qui se déchire préférentiellement . Sur un bac montées dans la partie supérieure un cordon d'étanchéité uniquement entre le toit et la cornière supérieure ceinturant le bac permettant au toit de se séparer de la virole en cas d'explosion interne. Celle-ci reste en place évitant ainsi l'écoulement du produit à l'extérieur

Toit

soudure faible

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\\\NO%,,

Cornière de rive

s--Robe

Q

mO 0

42 d - Les arrêtes-flamme Un arrête-flamme est souvent prévu entre le bac et la soupape ou l'évent . C'est un caisson contenant un empilage de feuilles de métal gaufré où passent les gaz avant de s'échapper dans l'atmosphère .

Soupape de respiration

Bac de stockage équipé d'un arrête-flamme et d'une soupape de sécurité

Détail de l'arrête-flamme

L'espace entre les éléments et le refroidissement des gaz à leu traversée empêche but retour de flamme dans le bac.

(D 2000 ENSPM Formation Industrie

10

e - Protection contre les rejets atmosphériques Pour les produits les plus volatils, avec les deux priorités que sont la sécurité et le respect de l'environnement, les vapeurs sont condensées au maximum à l'aide d'un échangeur dont le fluide caloriporteur est de l'éthylène glycol aux environs de -15 °C à l'entrée de l'appareil . Les vapeurs incondensables sont ensuite incinérées .

Soupape de respiration

Arrêfe-flamme

Ethylène glycol (ou autre fluide frigorifique) Condenseur Ni

Jauge

Entrée soh:ie produit

Purge Système de condensation de vapeur

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III -

BACS À TOIT FLOTTANT 1 -

TOITS FLOTTANTS Les toits flottants couvrent et flottent sur la surface du liquide contenu dans les réservoirs équipés de ce type de toit. Ils présentent trois avantages réduction des pertes par évaporation diminution des risques d'incendie

diminution de la pollution atmosphérique (odeurs) Ceci est obtenu par l'élimination presque totale de l'espace vapeur au-dessus du liquide. Les pertes à l'atmosphère de produits volatils par "respiration" (vidange et remplissage alternatifs et changement de température entre le jour et la nuit) sont ainsi pratiquement éliminées. II existe différents types de toits flottants -

toit à ponton annulaire N m 0

O W

Type ponton annulaire, le caisson recouvre jusqu'à 50% de la surface du liquide Le toit à ponton est constitué d'un ponton annulaire formé de caissons compartimentés, l'intérieur de l'anneau étant bouché par une surface métallique étanche. Le rapport entre la surface positionnée et la surface totale du toit est fonction de la taille du réservoir, et aussi de la portance offerte par le liquide stocké . On sait que cette portance (poussée d'Archimède), dépend du poids du volume déplacé par le toit, donc de la densité du liquide stocké . Les caissons de ponton constituent un matelas d'air qui protègent le liquide contre une trop importante élévation de température due à la chaleur solaire. La partie centrale, d'une seule couche de tôles, est libre de gonfler pour libérer l'espace nécessaire aux vapeurs qui peuvent se former. Les vapeurs ainsi emprisonnées sous le pont central constituent elles-mêmes une couverture isolante . Ces vapeurs se recondensent quand la température extérieure diminue. Les pontons sont compartimentés par des cloisons radiales, ce qui assure la flottaison du toit, même si la partie centrale et deux compartiments au maximum sont percés . Le drainage des eaux de pluie est nécessaire, car la pluie, la neige, qui tombent sur le toit flottant, diminuent la flottabilité, augmentent la corrosion. Ces eaux doivent être évacuées â l'extérieur du réservoir par un tuyau flexible .

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Orifices de prise d'échantillons, de guidage du toit et de téléjauge Raidisseur Goulotte de drainage

Caisson

0

Trou d'homme

Casse vide Id

Mise à la terre

Pent

Joint d'étanchéité

VÀ

Alimentation Purge du bac ~ . . . ~.

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Pente 5%

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O o

Exemple de bac à toit flottant, type ponton annulaire

toità double pont

0

Type double pont, le caisson recouvre toute la surface du réservoir

w 0

II est constitué par 2 couches de tôle d'acier, séparées par un espace vide d'environ 40 cm compartimenté en caissons indépendants renforçant la structure du toit. Ce! type de toit est préféré pour les bacs de grand diamètre pour les raisons suivantes " " " "

meilleure flottabilité en cas de surcharge (neige, pluie, . ..) meilleur drainage des eaux de pluie vulnérabilité moindre aux vents violents meilleure isolation thermique durant la saison chaude limitant la vaporisation de produit

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0 d w 0

- toit simple ("pan") utilisé principalement à l'intérieur de bac à toit fixe Toit conique (fixe) Évent de la robe

Ce type de toit présente les avantages offerts par le toit à ponton en ce qui concerne l'évaporation et le toit fixe protège des intempéries. Le bac est plus simple dans sa conception, l'écran intérieur (en feuille d'acier ou d'aluminium) a la forme d'une cuvette inversée et ne nécessite pas de système de drainage ou d'évacuation de la neige.

Joint d'étanchéité

Liquide

2-

AUTRES ÉQUIPEMENTS a - Béquilles Lorsque la hauteur du liquide ne permet plus de maintenir le toit en flottaison, son supportage est assuré par des béquilles. Les bacs peuvent comporter deux types de béquilles - les béquilles réglables (la hauteur de réglage est fonction des consignes d'exploitation)

Béquille réglable Toit flottant

Béquille réglable

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m 0 aw 0

14

- les béquilles casse vide Lorsque le toit repose sur les béquilles le bac se comporte comme un bac à toit fixe . Les évents automatiques permettent au bac de "respirer" lorsque le toit est en position basse. La hauteur de réglage est fonction de celle des béquilles fixes.

Remplissage

Vidange

Flottaison

w

ô

b - Évacuation des eaux pluviales Elle est faite par des flexibles, des tubes télescopiques ou articulés. De plus, en cas de bouchage de ce système, un drain de sécurité permet à l'eau de s'écouler dans le produit afin d'éviter que le toit coule.

Eau Évacuation des eaux pluviales

Drain de sécurité Produit Fond --,

P IP rl~,004(? 01 Drain de sécurité

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Eau

DI Orifices de prise d'échantillons, de guidage du toit et de téléjauge

c - Systèmes de joint L'étanchéité entre le toit flottant et la robe du bac est assurée par des joints qui peuvent être réalisés de différentes manières - joint mécanique Robe du réservoir

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Des patins d'acier viennent racler la paroi . L'étanchéité est réalisée par un joint élastomère flexible situé au-dessus du liquide et ne subissant pas de contrainte. Le joint est maintenu appliqué contre la paroi par un contre poids . - joint liquide (ou tube seal)

Kérosène ou autre liquide

L'étanchéité entre la robe et le toit est maintenue par un "boudin" rempli de kérosène ou de gazole . - joints secs

Jupe

Mousse de polyuréthane

Système Top Master

Système Delta seal

Ces systèmes de joints sont les derniers nés des systèmes d'étanchéité, leur mise en oeuvre et leur réparation présentent une grande simplicité . La protection des joints contre les intempéries est assurée par un protecteur atmosphérique .

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IV - PROTECTION CONTRE LES RISQUES D'INCENDIE DES BACS En cas d'incendie, les dispositifs mis en ceuvre sont - l'arrosage à l'eau - l'étouffement à la mousse

1-

DISPOSITIF D'ARROSAGE DES BACS Pour protéger les bacs voisins d'un bac en feu, on peut - arroser systématiquement la robe - parfois, arroser le toit dans le cas de bac à toit fixe

2-

DISPOSITIF D'INJECTION DE MOUSSE - Injection à l'intérieur du bac à toit fixe au-dessus du liquide enflammé grâce à des boîtes ou des déversoirs à mousse .

Opercule en verre ou plomb

Eau + émulseur ® .®

-

Injection à l'extérieur d'un bac à toit flottant, sur le joint d'étanchéité . Une couronne métallique soudée sur le toit permet de retenir la mousse sur la périphérie afin de recouvrir le joint. Déflecteur Écailles

Mousse

N O Q W

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Injection de mousse par la couronne d'eau de refroidissement de la robe dans le cas d'un feu de cuvette. Deux types d'installation sont possibles - type avec centrale à mousse fixe : la centrale est installée en un lieu relativement éloigné des réservoirs de stockage . Des tuyauteries emportent et conduisent la mousse ou les solutions qui permettent de la fabriquerjusqu'aux réservoirs - type avec centrale à mousse mobile . Les générateurs et les stocks de produit sont installés sur un véhicule équipé spécialement Un exemple de protection eau et mousse d'un réservoir à toit fixe est indiqué ci-dessous .

"mousse" 1/2 R "eau" 1/2 R "eau" 1/2 R ousse" 1/2 R

Arrivée eau incendie

Générateur de mousse Tuyère

Eau + émulseur Protection eau et mousse d'un réservoir à toit fixe

(envoi possible de mousse par la couronne d'eau de refroidissement)

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V-

RÉCHAUFFAGE - MAINTIEN EN TEMPÉRATURE Les produits très visqueux, les fuels, les résidus, . .., doivent être réchauffés et maintenus à une température suffisamment élevée pour que leur viscosité ainsi abaissée permette les transferts ultérieurs par pompage. Cette température de réchauffage est souvent d'environ 70°C à 90°C pour ces produits . En cas de stockage prolongé, il peut être intéressant, afin de limiter les pertes thermiques, de laisser refroidir et de ne procéder au réchauffage qu'au moment du pompage .

1-

LES SYSTÈMES DE RÉCHAUFFAGE Le réchauffage est assuré généralement par la circulation de fluides caloporteurs tels que eau chaude, huile chaude, vapeur BP. Les circuits d'eau chaude sous pression sont principalement constitués - d'une chaudière - d'un réseau de tuyauteries alimentant les divers points de réchauffage (traçage de ligne, réservoirs) - de deux pompes disposées en parallèle - de serpentins de réchauffage internes au bac

Vapeur BP

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20

Les circuits d'huile chaude sont assez similaires aux circuits d'eau chaude .

Les circuits de vapeur d'eau sont branchés sur le réseau vapeur de l'usine.

2-

LES SERPENTINS DE RÉCHAUFFAGE Ils sont disposés â 20 ou 30 cm du fond du bac et constitués par des tubes de 1" 1/2 ou 2" - soit enroulés en hélice

0

aw 0

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- soit assemblés sous forme d'épingles

Tubulure d'entrée de vapeur Entrée et reprise produit

Tubulure de sortie d'eau condensée

mm a0 W 0

Serpentin de réchauffage à la vapeur

La régulation de température du bac est assurée par une vanne située à la sortie du serpentin. La commande est soit manuelle soit automatique par bulbe sensible et vanne thermostatique .

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WI - MATÉRIEL D'HOMOGÉNÉISATION 1-

OBJECTIF DE: L'HOMOGÉNÉISATION Dans l'exploitation d'un parc de stockage, il est fréquemment nécessaire d'homogénéiser le contenu d'un bac pour obtenir une qualité constante du produit qu'il contient . On constate en effet des stratifications des différents produits injectés dans un bac et parallèlement ce phénomène s'accompagne de variations de température au sein du réservoir. De plus, l'hétérogénéité peut être naturelle dans le cas de produits non miscibles à l'état liquide comme les mélanges d'eau et d'hydrocarbures ou s'il y a présence de particules solides.

2-

TECHNIQUES D'HOMOGÉNÉISATION II existe deux principales techniques d'homogénéisation

le malaxage - la recirculation par pompage a - Malaxage par hélico-agitateur Un hélico-agitateur se compose - d'une hélice ayant pour rôle de mettre le liquide en mouvement, et de son arbre - d'un moteur électrique d'entraînement - et d'une liaison entre moteur et arbre par courroie ou engrenage L'ensemble est fixé par bride sur le réservoir, l'étanchéité étant assurée par garniture mécanique ou par garniture â tresses.

1 sI 1111111111l'

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Étanchéité (garniture mécanique)

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Garniture mécanique

Entrainement par courroie

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Entrainement direct

Les bacs de très grande capacité sont équipés de plusieurs hélico-agitateurs à orientation variable .

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b - Recirculation par pompage Le contenu du bac est aspiré par une pompe à grand débit et réinjecté par l'intermédiaire ou non d'un ajutage convergent appelé "Jet Nozzle". Le liquide recirculé traverse la masse liquide à grande vitesse où il crée des mouvements de brassage très énergiques .

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Risques et Précautions liés au Matériel

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I

ROLE DES ÉCHANGEURS

- ROLES DES ÉCHANGEURS ET TERMINOLOGIE . ... . .. . .. ... . .. ... ... ... . .. . .. . . .. . ... ... ".. ... .. . .. .... .. .. . .. .1 1 2345 -

Fonction réfrigération . .. .. . .. ... ..... ... .. ... .. ... . . .. ., .. ... .. .. ." . .. .. .. .... . .. .. .. .. .. .. .. .. ..... ". .. ... .. .. ..... .. .. .. . .. . . . .. .. .. . .1 Fonction réchauffage . ." . . " .. .. . .. ... ..... ... . . .. .. . . . .. ." .. ... .. .. ..... .. .. .. . ." .. .. .. . " .. ". . . .. " .. . . .. ..... ". .. ... . . ."". . .... . .... ". . .1 Fonction condensation . .. . .... . .. ... ." . .. ... . . .. ." . . . .. .. .. ""... .. .. "," ." .. ". . .. ". .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. ... . . .. ... .. .. .. .. .,. .. ... .. ..2 Fonction vaporisation . . . .. .. ...,.. ... .. ... .. .. . .. .. ." .. .." .. .. . .. .. ..,.. .. .. .. .. ... ." .... .. .. .. .. .. ... ." .. ..... .. ... . ... ." .. ... .. ..... ..2 Fonction particulière .. ... .. .. ... . ".."" .. ... .. .. . .. .... .. ... .. ." ... .. .. ... ." .. .. . . ... . .. ... . . . ... .. .. ..... .. ". . .. .. .. .. . ... . . . "". .. . . .". ..2

II - PRINCIPES DE RÉALISATION TECHNOLOGIQUE - MODES DE CIRCULATION . . .. . ... .. .. . .. . 3 1 2 3 -

Circulation à co-courant (ou à courants parallèles) et circulation à contre-courant .. .. ... .. ... .. ..... ..3 Circulation utilisant simultanément le co-courant et le contre-courant .... .. .... . .. .. .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... . " 4 Circulation à courants croisés ... ... .. ... . . .. .. .. ... .. .. ... . . . . . " . .. .. .. ... .. .. . ." .. .. .. .. .. .. .. ". .. ... . . . . ... .. .. ". ... .. ... ..." . ...6

291512000

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Rev.1

I-

RÔLES DES ÉCHANGEURS T T

I

L GIE

Les procédés des industries pétrolières, pétrochimiques ou chimiques demandent souvent que les fluides traités soient réchauffés ou refroidis avec ou sans changement de phase au cours des diverses opérations auxquelles on les soumet . La chaleur mise en ceuvre représente une importante dépense d'énergie dont il est nécessaire de récupérer la plus grande quantité possible en permettant, par exemple, à un fluide chaud de transmettre sa chaleur â un fluide froid. Les appareillages utilisés en dehors des fours et chaudières sont appelés "échangeurs de chaleur" .

Bien qu'il n'y ait pas de véritable normalisation concernant le vocabulaire à adopter, la terminologie utilisée renseigne généralement sur la fonction de l'appareil . Sans prétendre à supprimer toute ambiguïté ni à fournir la liste exhaustive des différents termes utilisés tant en langue française qu'en langue anglaise, une classification par fonction peut être établie . Échangeur (exchanger) : en dehors de son sens général tel qu'utilisé plus haut, ce terme désigne l'appareil qui réchauffe un fluide de procédé et en refroidit un autre le plus souvent sans changement de phase de l'un et l'autre de ces deux fluides.

1 -

FONCTION RÉFRIGÉRATION Réfrigérant (cooler) : il refroidit un liquide ou un gaz par circulation d'un fluide auxiliaire, généralement de l'eau. Réfrigérant intermédiaire (intercooler) , final (aftercooler) : ces termes sont plutôt réservés aux réfrigérants de gaz comprimés au divers étages de compression . Réfrigérant final (trim cooler) : réfrigérant qui termine la réfrigération d'un produit. Souvent, ce terme désigne le réfrigérant à eau qui assure les conditions de sécurité requises pour le stockage des produits ; par extension, il désigne aussi !'association aéroréfrigérant suivi d'un réfrigérant à eau fréquemment utilisés pour cette fonction . Chiller : il refroidit un fluide de procédé par évaporation d'un fluide frigorigène (ou par de l'eau réfrigérée).

2-

FONCTION RÉCHAUFFAGE Préchauffeur (preheater) : il préchauffe un fluide de procédé par la vapeur d'eau ou un fluide chaud de procédé, la chauffe se poursuivant souvent dans un four en aval. Réchauffeur (heater) : il réchauffe également un fluide de procédé mais le terme s'emploie surtout pour désigner l'appareil qui réchauffe un produit stocké généralement pour assurer sa pompabilité. Les termes réchauffeur et préchauffeur d'air s'appliquent aux appareils (cycliques ou non) assurant la préchauffe de l'air de combustion d'une chaudière ou d'un four par récupération d'une partie de la chaleur contenue dans les fumées ou dans un autre fluide auxiliaire . Économiseur (economizer) : ce terme est plutôt réservé au serpentin permettant la préchauffe de l'eau d'alimentation des chaudières par les fumées . Surchauffeur (super heater) : il augmente la température d'une vapeur au-delà de sa température de condensation .

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3-

FONCTION CONDENSATION Condenseur (condenser) : il assure la condensation totale (total condenser) ou partielle (partial condenser) de vapeur par circulation d'eau ou d'un fluide de procédé suffisamment froid. Aérocondenseur : il a la même fonction que le précédent en utilisant l'air comme fluide froid. (Subcooler) : il assure simultanément la condensation de vapeur et le refroidissement des condensats généralement par circulation d'eau .

4-

FONCTION VAPORISATION Vaporiseur (vaporizer) : il assure la vaporisation totale ou partielle d'un liquide de procédé, l'apport de chaleur étant fait par de la vapeur d'eau ou un fluide chaud de procédé éventuellement en condensation . Bouilleur (boiler), rebouilleur (reboiler) : if vaporise une partie des produits de fonds de colonnes pour les renvoyer au fractionnement . Générateur de vapeur : il produit de la vapeur par récupération de chaleur sensible contenue dans les fluides de procédés, des fumées de fours ou des lits catalytiques (Waste heat boiler) ou par combustion de gaz ou de liquides résiduels (Steam generator) .

5-

FONCTION PARTICULIÈRE Évaporateur (evaporator) : terme plutôt utilisé pour désigner l'appareil qui concentre des solutions aqueuses par évaporation d'eau ; cependant il peut désigner aussi un vaporiseur et un chiller. Quelle que soit leur fonction, le principe de fonctionnement de tous ces appareils est celui des échangeurs de chaleur par surface interposée entre deux fluides et mettant en oeuvre la transmission par conduction et convection simultanées. Par ailleurs, la façon d'organiser la circulation des fluides de chaque côté de la paroi conditionne leur performance.

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II -

PRINCIPES DE RÉALISATION TECHNOLOGIQUE - MODES DE CIRCU

N

L'organisation de la circulation des fluides de chaque côté de la paroi constituant la surface d'échange correspond à différents modes de base ou à des combinaisons entre ces modes ; seules les solutions technologiques les plus utilisées sont présentées dans ce qui suit.

CIRCULATION À CO-COURANT (ou â courants parallèles) ET CIRCULATION À CONTRE-COURANT Les deux fluides circulent soit dans le même sens, soit en sens contraire de chaque côté de la paroi. La réalisation technologique peut se faire a - soit par des appareils tubulaires dits - double-tube : constitués de 2 tubes concentriques ; un fluide s'écoule dans le tube intérieur, l'autre dans la section annulaire .

Co-courant

Contre-courant

0 0 M W H L r 0

à faisceau et calandre : un fluide passe à l'intérieur des tubes parallèles constituant un faisceau logé dans une calandre cylindrique, l'autre passe à l'extérieur des tubes appareils 1-1 (1 passe côté calandre, 1 passe côté tubes) : la calandre est de type E selon la norme TEMA

sM Co-courant

Contre-courant

W 0

appareils 2-2 (2 passes côté calandre, 2 passes côté tubes) : la calandre est de type F selon la norme TEMA

tl Contre-courant

La mise en place d'une cloison longitudinale séparant la calandre en 2 parties et d'une cloison de répartition dans le distributeur du faisceau oblige chacun des fluides à effectuer 2 passes dans l'appareil.

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b - soit par des appareils à plaques ou lamelles

Contre-courant

Co-courant Les plaques peuvent être formées en spirale.

ô m w

H

Contre-courant

0

Appareils à lamelles

2-

CIRCULATION UTILISANT SIMULTANÉMENT LE CO-COURANT ET LE CONTRECOURANT Ce type de circulation est réalisé dans des appareils tubulaires à faisceau et calandre cylindrique a - Appareils à 1 passe côté calandre et 2 ou 4 ou 6, etc . . . passes côté tubes (calandre de type E) Le nombre de passes côté tubes est souvent égal à 2, 4 parfois à 6 ; il est très rarement égal à 8 pour des raisons de pertes de charges prohibitives . ® Appareils 1-2 (1 passe côté calandre, 2 passes côté tubes) t r

0 c+~ w

0

-

Ill-

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Le fluide côté tubes échange de la chaleur simultanément sur 2 passes, l'une à contrecourant avec le fluide côté calandre, l'autre à co-courant . Appareil 1-4 (1 passe côté calandre, 4 passes côté tubes)

b - Appareils à 2 passes côté calandre (calandre de type F) Le nombre de passes côté tubes associé peut être égal à 4 ou 8, .. . Par exemple, l'appareil 2-4 associe 2 passes côté tubes à chacune des 2 passes côté calandre. Chacune des 2 parties de cet appareil 2-4 fonctionne comme un appareil 1-2, les 2 parties étant disposées en série sur les 2 fluides ; la mise en série respecte le contre-courant d'ensemble dans le cas du dispositif représenté ci-dessous.

c - Autres appareils Les modes de circulation suivants organisant des circuits en dérivation sont utilisés pour limiter les pertes de charge côté calandre. Les appareils schématisés ci-dessous fonctionnent avec 2 passes ; ce nombre peut être modifié.

(Calandre type G)

1

À double écoulement (Calandre type H)

À écoulement divisé (Calandre type J)

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-90A

3-

CIRCULATION À COURANTS CROISÉS L'écoulement de 2 fluides se fait dans 2 directions perpendiculaires . La réalisation peut se faire a - soit par des appareils tubulaires (D 0 0 (0 C G(~fJQO

Faisceau à pas carré

tz

~

l

oc r,1

Faisceau à pas triangulaire

Le faisceau peut être logé

t Aéro à air forcé dans une calandre cylindrique

dans un caisson parallélépipédique

type X

aéro type forcé

avec une ou plusieurs passes côté tubes (deux dans les appareils schématisés ci-dessus) . b - soit par des appareils à plaques éventuellement spiralées

m

w 0

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RISQUES ET PRÉCAUTIONS LIÉS AU MATÉRIEL FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

TECHNOLOGIE DES ÉCHANGEURS

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I-

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS .. .. . .. ... ... .. . .. .. . ... ... .. . .. . ... .. . ... ... .. . ... ... . . . .. . ... .. . .. ... ... .. . .. . .1

Il-

ÉCHANGEURS TUBULAIRES À FAISCEAU ET CALANDRE .. ... . .. ... . .. . .. ... ... . .. ... ... . .. .. . ... . . . .. ..1 1 - Principe de circulation des fluides et technologie .. ..... ...... ..... .... ..... ..... ..... ... ..... ..... .... .... ...... .... . ....... . .... ..... ..... ...1 2 - Différents types d'éléments .... . . ... . ........."."" ..... ..... ..... .... . ...... .... ..... ..... ..... ... ..... ......... ..... ..... ......... .... .. .. ....... . ..... . . .2

III - EXEMPLES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES . .. .. . .. . ... .. . .. ... . .. . . . ... . .. . .. ... . .. . .. ... ... . . . ... ... . . . ..... ... . ..4 1 234-

Échangeur à tête flottante .... ..... ..... ...... .."... ..... ............... . ......... ......... . .... ..... ...............". . . . .. .. ..... ... . .. ......... . ...... ...4 Échangeur à plaques tubulaires fixes. .... .. . ... ....... . .. . . . . . . . ... . ..... . .... ...... ........ . .... ........ ..... ..... ......... ..... ............... . ...4 Échangeurs à tubes en U ............. ........ ."....... ........... ..... ..... .... . .... ..... ......... . ........ .... ..... ..... .... ... . . ........ ................5 Échangeur type kettle ..... .... . .... .. ... .. ..... ................. .... ..... . " . ... .. .. ... ... .. ". . .... ... .. .... . . . . ......... . .... ........ ..... ..... .... ... . . . . .. .5

IV - ÉCHANGEURS DOUBLE TUBE ... .. ., . .. . .. .. . .. . .. . .. ... .. .... .. . .. .. . ... .. . ... . .. ... .. . . .. ... .. .... . . . .. . ... .. . .. ... ... .. .6 V - RÉCHAUFFEURS DE RÉSERVOIRS ... . .. ... .. . ... .. ... . . . .. ... ... ... . . . ... . .. ... ... . .. ... ... ... ... .. . ... .. . .. . ... .. . . . ..8 VI - AÉRORÉFRIGÉRANTS ET AÉROCONDENSEURS . ... ... .. . .. ... . .. . .. . ... .. . .. . ... .. . .. ... . .. ... ... ... ... .. . . 10 1 - Description .. ......... . ... ............... ..... .. .... . .... ....... ..... ............... ."....... ........ . . . .. .. ................. .... .... ..... ..... .... . . . . . ..... ....10 2 - Comparaison de technologies différentes. ...... .......... "... ..... ..... ..... .... ..... ................. .... .... . .... ... .. ..... .... . .... .........11 3 - Modulation de la puissance thermique . . . .... .. ..... .... . .... ..... ..... .... ..... ..... ........ ..... .... . .... .... ..... . ........- ... . ............... .11 V - ÉCHANGEURS DE CHALEUR SPÉCIAUX ... ... .. . .. ... . .. . .. .. . ... ... ... . .. . .. ... . .. . .. . ... .. . .. ... ... ... .. . .. .-13 1 - Échangeurs 2 - Échangeurs 3 - Échangeurs 4 - Échangeurs

à plaques ... .. ".... ... ..... ..... ... ..... ... .. .. ..... ..... .. .... ..... .. ..... .. .. ..... . . ..... .. .. .. .. ... .. ... .. ..... .. .. . ....13 spiralés .. .. ..... ..... ..... . . ................ . .. .. .. ... ......... ..... .. . .... .. .. ... .. .. .. .. ..... .. .. ... ....... .. ... ....... ...15 pour vaporisation de gaz naturel liquéfié et d'azote liquide . .. ..... .... .. ....... ..... ........ "" . .16 cryogéniques bobinés ..... ..... ... .. .. ..... ....... .. ... .. ... .. ...... . .... .. .. ....... . .. .. .. . .. . . .. ... .. .... ..... ....17

/05/2000 C29© 2000 ENSPM Formation Industrie

R6v.0

I-

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS La plupart des échangeurs de chaleur offrant une surface de séparation entre fluide chaud et fluide froid peuvent être classés selon les familles technologiques suivantes échangeurs tubulaires ou faisceau-calandre échangeurs double tube serpentins (de réchauffage ou de refroidissement) échangeurs â plaques (démontables ou brasés) échangeurs spiralés échangeurs à air

II -

ÉCHANGEURS TUBULAIRES À FAISCEAU ET CALANDRE 1-

PRINCIPE DE CIRCULATION DES FLUIDES ET TECHNOLOGIE Un des fluides circule dans un faisceau e tubes monté sur deux plaques tubulaires. II est logé dans une calandre (shell en anglais) munie de tubulures d'entrée et de sortie pour le fluide circulant à l'extérieur des tubes le chemin imposé par tes chicanes qui sont supportées par le faisceau . A chaque extrémité du faisceau sont fixées des boites de distribution qui assurent la circulation du fluide qui passe à l'intérieur des tubes. Le schéma de principe ci-dessous représente un échangeur pour lequel le fluide, qui passe côté tube, pénètre dans la boîte de distribution par la tubulure inférieure . Une plaque de séparation de passe force son passage dans environ la moitié des tubes du faisceau .

entrée fluide côté calandre

cloison séparation de passes

boîte dé retour ou fond de calandre

boîte de distribution

tubulaire sortie fluide entree fluide côté calandre côté tubes

A l'autre extrémité du faisceau, le fluide est dirigé par la boîte de retour dans les tubes au-dessus de la plaque de séparation de passe avant de sortir par la tubulure supérieure de la boîte de distribution . Le fluide parcourt donc deux fois le faisceau tubulaire d'où l'appellation : 2 passes côté tubes . © 2000 ENSPM Formation Industrie

Côté calandre, le fluide se dirige d'une extrémité à l'autre, son cheminement étant allongé par des chicanes transversales qui le forcent à s'écouler perpendiculairement à l'axe des tubes. Ici, le fluide parcourt une seule fois la calandre, l'échangeur a donc une seule passe côté calandre. Un tel appareil est dit : deux passes tube - une

2-

passe

calandre

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉLÉMENTS

Les échangeurs tubulaires existant en usine sont très variés dans leur technologie bien que le principe reste toujours le même . Ainsi, tous les éléments entrant dans la constitution des échangeurs ont fait l'objet d'une . normalisation publiée par le TEMA (Standards of Tubular Exchangers Manufactures Association) . La planche de la page suivante représente les différentes technologies utilisées. L'essentiel des différences concerne la forme des distributeurs l'agencement de la circulation dans la calandre la forme du fond de calandre

la méthode utilisée pour permettre au faisceau de se dilater dans la calandre la pression de fonctionnement

92000 ENSPM Formation Industrie

3

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES

Type de chambre de distribution

I

Type de fond de calandre

Type de calandre

1

E

-

L

1

-~ 1

.

L-

Plaque tubulaire fixe type "A"

Calandre à une passe

1

Chambre avec couvercle démontable

M

F Calandre à deux passes avec cloison longitudinale

N Chambre "Bonnet"

C

lm

P H

Chambre intégrée à une plaque tubulaire avec couvercle démontable

Double écoulement séparé

S

N

I

J

II

L ~

LO -à-

Rebouilleur 'Kettle"

1 1 I

Chambre à fermeture spéciale pour haute pression

T

Écoulement divisé

.~

Chambre intégrée à une plaque tubulaire avec couvercle démontable

-

Plaque tubulaire fixe type "N"

1 I I

1 1 I

1 8 1

Fond flottant ou tête flottante avec garniture externe

Fond flottant ou tête flottante avec contre bride démontable

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

1

~.

Plaque tubulaire fixe type

Écoulement séparé

U

Faisceau tubulaire -démontable

.

1 1 1

1 1 1

1 1 i

1 I I

Fond flottant ou tête flottante à passage direct

U Faisceau à tubes en U

1 1 I

Courants croisés © 2000 ENSPM Formation Industrie

Fond flottant ou tête flottante avec garniture externe à détecteur de fuite

s w

III -

EXEMPLES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES 1-

ÉCHANGEUR À TÊTE FLOTTANTE (type AES) L'une des plaques tubulaires est fixe, bloquée entre les brides de la calandre et de la boîte de distribution . La seconde plaque, d'un diamètre inférieur, porte la boîte de retour et peut coulisser librement à l'intérieur du capot qui ferme la calandre . Les appareils permettant l'expansion thermique du faisceau constituent la grande majorité des échangeurs utilisés en pétrochimie ou en raffinage du pétrole. L'exemple représenté ci-dessous est à 2 passes côté tubes et une passe côté calandre . Ce type d'appareil présente certains inconvénients en particulier, le joint de la boîte de retour est invisible et une fuite se traduit par une pollution de l'autre fluide plus ou moins difficile à détecter. Cloison de répartition de passes

Bossage pour instrument de -mesure

Chicanes transversales

Faisceau tubulaire

Anneau de levage

Évent Plaque tubulaire de tête flottante Fond de tête flottante

Couvercle démontable du distributeur

Plaque tubulaire fixe

Calandre

0 Fond de calandre ô

Berceau support

2 - ÉCHANGEUR A PLAQUES TUBULAIRES FIXES (type BEM)

Distributeur à fond soudé

Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent être directement soudées sur la calandre . Faisceau et calandre étant solidaires, ces appareils ne peuvent être utilisés que si la différence de température entre les fluides chaud et froid est suffisamment faible pour que la dilatation ou la contraction du faisceau soit acceptable . Un soufflet de dilatation est prévu à cet effet. Par ailleurs, le faisceau n'étant pas démontable, on ne peut effectuer le nettoyage de l'extérieur des tubes que par voie chimique . Leur emploi sur des services encrassants est exclu. L'exemple représenté ci-contre est à une passe côté tube et une passe côté calandre . Chaque boîte ne porte dans ce cas, qu'une tubulure d'entrée ou de sortie du produit qui passe dans les tubes. Bossages des instruments de mesure © 2000 ENSPM Formation Industrie

3-

ÉCHANGEURS À TUBES EN U (type CFU) Le faisceau est constitué de tubes coudés en forme d'épingle, il n'est donc porté que par une seule plaque tubulaire . Ce système permet la libre dilatation du faisceau . En revanche, le nettoyage des tubes est difficilement réalisable autrement que par voie chimique . lis sont obligatoirement à 2 passes côté tubes ; dans l'exemple présenté ci-dessous, l'appareil est à deux passes côté calandre . Celle-ci porte en effet une chicane longitudinale et les deux tubulures d'entrée et de sortie du fluide qui passe côté calandre sont dans un même plan vertical . Cloison de répartition de passes

Couvercle démontable du distributeur

4-

Bossage pour instrument de mesure

Plaque tubulaire fixe

Chicane transversale

Calandre

Chicane longitudinale

support

ÉCHANGEUR TYPE KETTLE (AKT) Cet appareil est utilisé quand il s'agit de vaporiser partiellement un liquide et il est conçu pour assurer la séparation des deux phases. Le liquide à vaporiser vient baigner le faisceau tubulaire à l'intérieur duquel circule le fluide chaud . Un déversoir maintient le niveau liquide juste au-dessus du faisceau. La calandre est d'un diamètre nettement supérieur à celui du faisceau, ce qui aménage une zone de désengagement de la vapeur et permet d'éviter les entraînements de liquide . La vapeur produite sort par la tubulure située à la partie supérieure de la calandre . Le liquide non vaporisé passe au-dessus du barrage et il est soutiré de l'appareil généralement sous contrôle de niveau (les prises de niveau apparaissent sur le schéma) . Ici, le faisceau (à deux passes) est du type à fond flottant mais on utilise également des tubes en U. Ce type d'appareil tolère des taux de vaporisation élevés . Mais le temps de séjour du liquide y est relativement grand, ce qui favorise l'encrassement où la dégradation des produits sensibles à la chaleur.

Bossage pour instrument de mesure Cloison de répartition de passes

Calandre

Plaque

_

Couvercle démontable du distributeur

Entrée du liquide à rëbouillir

Faisceau tubulaire

Plaques support

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Berceau support

Sortie liquide éboui ~ ,

g 0

IV -

ÉCHANGEURS DOUBLE TUBE

(double pipe)

Ils sont constitués par des séries de deux tubes concentriques réunis par des coudes et des boîtes de jonction, l'un des fluides circulant à l'intérieur du tube de plus petit diamètre, l'autre dans l'espace annulaire entre les deux tubes. Ce type d'échangeur réalise la circulation parfaite â contre-courant . II ne convient que pour des débits relativement faibles. Suivant les produits utilisés, la différence de dilatation entre les tubes intérieurs et extérieurs peut être absorbée soit - par un soufflet de dilatation - par un presse-étoupe (si eau à l'extérieur) - le plus souvent par une boîte de retour (cas de fluide corrosif ou inflammable) laissant libre l'épingle intérieure

Détail de l'éntrée

Détail de l'épingle

4

D'après Brown Fine Tube

ô w F0

Ces appareils sont de construction facile et peuvent être normalisés en partant d'éléments standards.

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Les tubes généralement utilisés correspondent aux associations suivantes Diamètre nominal Tube intérieur

1" 1/4

1" 1/4

2"

3"

Tube extérieur

2"

2" 1/2

3"

4"

Les longueurs normalisées les plus utilisées sont : 12, 16 ou 20 pieds ; au-delà il y a risque de fléchissement. Le montage se fait par épingles qui peuvent être groupées en série, en parallèle, et en série-parallèle . 'Le démontage facile permet des nettoyages fréquents . Leur inconvénient tient à un encombrement important rapporté à la surface installée. Leur utilisation courante correspond à une surface de l'ordre de 10 à 20 m2 . Du point de vue prix, ils peuvent devenir compétitifs vis-à-vis d'un appareil à faisceau et calandre pour des surfaces inférieures à 50 m2. Très souvent, les tubes intérieurs sont munis d'ailettes extérieures longitudinales qui permettent de réaliser une extension de la surface d'échange dans un rapport pouvant aller jusqu'à 10 rapport

surface totale ailetée surface de tube nu

v

1 à 10

Cette extension est intéressante si le coefficient de transfert par convection est faible du côté extérieur. Les ailettes sont fixées soit par brasage, soit par soudure, ou filées par extrusion. Dans ce cas, le tube extérieur est beaucoup plus grand que celui correspondant à un échangeur à paroi lisse. Sur le même principe sont conçus des appareils multitubes composés de 7 tubes fixés sur une plaque tubulaire, chaque épingle pouvant se dilater indépendamment de l'autre. Par ailleurs, il existe plusieurs systèmes d'étanchéité et diverses conceptions de raccordement selon le niveau de pression .

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V-

RÉCHAUFFEURS DE RÉSERVOIRS Ces appareils sont utilisés pour maintenir. des produits visqueux à un niveau thermique adéquat afin d'assurer leur pompabilité dans des conditions économiques . lis sont tubulaires; le fluide chauffant circulant à l'intérieur des tubes est le plus souvent de la vapeur d'eau basse pression en condensation . Les tubes sont généralement munis d'ailettes perforées ou non pour compenser le faible coefficient de transfert en convection du côté du fluide visqueux, qu'il y ait agitateur ou non.

Les différentes solutions technologiques sont - le serpentin disposé dans le fond du réservoir, constitué en général, par un tube de 2" soit enroulé en hélice, soir assemblé sous forme d'épingles

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Espace libre mini à prévoir pour le passage du plomb de sonde

t

i

Tubulure d'entrée de vapeur

Tubulure de sortie d'eau condensée Flotteur de l'indicateur de niveau

"

les réchauffeurs horizontaux constitués - d'épingles

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10

10

VI - AÉRORÉFRIGÉRANTS ET AÉROCONDENSEURS 1-

DESCRIPTION A l'intérieur des tubes ailetés circule le produit en condensation, ou en réfrigération. Le faisceau aboutit à des boîtes de distribution ou collecteurs, qui répartissent le débit en une ou plusieurs passes. Ces boîtes de distribution peuvent être à couvercle démontable ou soudé. Dans ce dernier cas, un bouchon fileté se trouve dans l'axe de chaque tube ce qui permet de le nettoyer, ou de le condamner. Des ventilateurs produisent la circulation de l'air à travers le faisceau . Dans tous les cas, l'air circule de bas en haut et selon la disposition du ventilateur par rapport au faisceau de tubes, on distingue - les appareils â tirage induit : le ventilateur est au-dessus du faisceau

anneau de ventilation ~ ~ ~

ventilateurs

/\ 4~ 1~ 1~ boîte de retour

faicseau tubulaire

-

les appareils à tirage forcé : le ventilateur est sous le faisceau

conduit

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caisson

9-1113

2-

COMPARAISON DE TECHNOLOGIES DIFFÉRENTES Les principaux avantages de deux types d'appareils sont résumés ci-dessous . Tirage forcé

Tirage induit

3-

Bonne protection du faisceau

-

Bonne disposition de l'ensemble motoventilateur qui travaille dans l'air froid

Moins de risques de recirculation d'air (vitesse de sortie de l'air plus grande)

-

Puissance consommée plus faible

Bonne distribution de l'air

Bonne accessibilité du faisceau

Bon tirage naturel par effet de cheminée quand les ventilateurs sont arrêtés (conserve 30 à 40 % de son efficacité)

Pas d'axe traversant le faisceau

Place libre sous le faisceau pour l'installation d'autres équipements sous réserve des problèmes de sécurité

Maintenance plus facile

Moins de vibrations

Possibilité d'intervention sur un ventilateur hors arrêt

MODULATION DE LA PUISSANCE THERMIQUE La température de l'air étant sujette à variations, il existe différents systèmes de régulation de ces appareils dont les principaux sont arrêt ou mise en service d'un ou de plusieurs ventilateurs, utile sur les échangeurs comportant un grand nombre de ventilateurs pales à inclinaison variable permettant de faire varier le débit d'air en circulation soit d'une manière continue en marche, soit par un changement de réglage à l'arrêt vitesse variable des ventilateurs utilisation des persiennes ou ventelies placées au-dessus du faisceau permettant de réguler le débit d'air La gratuité de l'air et les problèmes d'approvisionnement en eau ont amené un développement très important de ce type d'appareil . "Toutefois, il faut citer quelques inconvénients à leur utilisation ils sent chers ils sont bruyants ils ne permettent pas d'obtenir des températures très basses à cause de la température de l'air. Dans certains cas, on utilise le fait que l'eau de réfrigération est plus froide en adoptant une combinaison aéroréfrigérant puis condenseur de finition (trim-cooler) à eau pour obtenir une température suffisamment basse

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-

ÉCHANGEURS DE CHALEUR SPÉCIAUX 1-

ÉCHANGEURS À PLAQUES

a - Plaques assemblées par joint

Un échangeur à plaques est constitué d'un ensemble de plaques embouties, en inox ou en tous autres matériaux nobles tels que le titane, l'hastelloy, etc . selon les utilisations prévues. Le transfert de chaleur entre les deux fluides s'effectue au travers de ces plaques . Les plaques munies de joints qui assurent l'étanchéité, sont comprimées entre un bâti fixe et un plateau de serrage mobile au moyen de tirants latéraux ; elles sont suspendues entre deux barres horizontales fixées sur la partie fixe et sur une colonne support. La simplicité de la construction de l'échangeur de chaleur à plaques permet de le démonter facilement pour inspection ou nettoyage . Par contre, le remontage est souvent délicat â cause de la mise en place des joints entre les plaques, particulièrement pour les plaques de grande taille . Les principaux avantages des échangeurs à plaques sont les suivants : ils sont simples et peu encombrants (1m3 pour 200 m2 de surface d'échange) ; ils offrent la possibilité de traiter plusieurs liquides simultanément par l'emploi de boîtes de distribution intermédiaires ; leurs plaques sont interchangeabies. Ils conviennent surtout aux échanges liquide-liquide . Leur utilisation est limitée aux pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 200°C.

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b - Plaques soudées Des chambres faites, d'une tôle emboutie soudée sur une tôle plane sont auto-résistantes à la pression. Elles alternent avec des chambres sans point de contact permettant la circulation de fluides chargés ou encrassants.

Les chambres sont parcourues en série. La continuité des circuits est assurée par le côté pour un circuit, par le dessus et le dessous pour l'autre circuit.

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2 -

ÉCHANGEURS SPIRALÉS L'échangeur à spirale est constitué de deux bandes métalliques séparées par des entretoises et enroulées de façon à constituer un corps spiralé à deux canaux . Chaque fluide circule dans l'un des canaux .

Entrée fluide chaud

Fluide refroidi

Entrée fluide chaud

Sortie fluide réchauffé

L'étanchéité est assurée par soudure des bandes sur un bord et par le couvercle sur l'autre bord . Chaque canal est raccordé au centre (bride sur le couvercle) et à la périphérie . Ils conviennent tant aux échanges liquide-liquide qu'à la vaporisation et â la condensation . Leur utilisation est limitée aux pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 400°C.

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3-

ÉCHANGEURS POUR VAPORISATION DE GAZ NATUREL LIQUÉFIÉ ET D'AZOTE LIQUIDE Ils sont constitués de rangées de panneaux verticaux construits à partir d'éléments tubulaires en aluminium réunis par des collecteurs aux deux extrémités . Chaque panneau est suspendu à la charpente du support de façon à permettre une certaine dilatation . Du gaz naturel liquéfié introduit dans le collecteur inférieur, remonte â l'intérieur du panneau pour ressortir sous forme gazeuse dans le collecteur supérieur après avoir été réchauffé par une pellicule d'eau descendant à l'extérieur des panneaux.

M - 1

474

II

Ira" .III~

j~

Water inlet

Gas outlet

LNG inlet

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17

4-

ÉCHANGEURS CRYOGÉNIQUES BOBINÉS Ils correspondent aux caractéristiques suivantes un ou plusieurs fluides en condensation circulant côté tubes, à contre-courant d'un mélange liquide-vapeur en vaporisation une différence importante de température entre l'entrée et la sortie (100 °C) une faible différence de température entre fluides échangeant leur chaleur de l'ordre de 5 °C des quantités de chaleur échangées très importantes (100 x 106 kcallh) des débits élevés pouvant atteindre 700 Tlh Les échangeurs conventionnels ne permettent pas de résoudre ce type de problème. Ces échangeurs sont constitués par des couches successives de tubes enroulés en hélice . Ils sont utilisés pour des fluides divers (air, hydrogène, hélium, méthane, gaz naturel) . Un tube ne peut pas être remplacé .

L

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FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

Risques et Précautions liés au Matériel

MATÉRIEL THERMIQUE EXPLOITATION DES ÉCHANGEURS

I-

ISOLEMENT ET MISE EN SECURITE D'UN APPAREIL ........ . . ... . . .. . . . ... . .... .... . .... . ... . . ... .1

II -

MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR CHAUD .. . ... . .... ..... . .. ..... . ... . . .... ... . . .... . ... . .... . . ... .2

III -

MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR .... .... .... . ... . ... . . ... . .... . . ... . .. . . .. . . . ... . .. .. .... . .. ...... . . ....3

IV -

ISOLEMENT D'UN ECHANGEUR FROID ... . .... .... . ... . .... .... . ... . .... .... . ... . . ... .... . . . ... . ... . .... . . .. 3

V-

CONTROLE NORMAL DE L'ECHANGE ET SUIVI DES PERFORMANCES . . . ... . ... . ... . .... .... . ... . .... ... . . ... .... .... . .. . .... . ... . . . .. . ... . . ... . . .. . . ... .... . . ... . .... .. .. . . . ...4

VI -

NETTOYAGE DES ECHANGEURS . .... .. .. ... . ....... . ... . .... . ... . ... . . ... . ... . . . .. . . ... . ... . . ... . .... ..... . . ...4 1 - Nettoyage en marche ...... ....... ... .......... ... ... . ......... .......... ... ....... .......... ... ...... ... . ... ......... . ...... ... .. . .. ... ... ... .. 4 2 - Nettoyage mécanique après démontage . .. .......... ... . . ... ... ... ...... ....... ....... ... .......... ...... ... ... ...... ... ... ... ... ... 4

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24/1/1995

Rev . 0

Les opérations courantes que l'on effectue sur les échangeurs sont les suivantes 1 - Isolement et mise en sécurité d'un appareil en vue d'un nettoyage, d'un retubage, d'une visite légale pour des raisons liées au procédé II - Mise en service Il/ - Contrôle normal de l'échange et suivi des performances IV - Nettoyage des échangeurs. -

ISOLEMENT ET MISE EN SECURITE D'UN APPAREIL CHAUD OPERATIONS

JUSTIFICATIONS - REMARQUES

1 -

Ouvrir les vannes de by-pass des circuits (chaud puis froid) .

2 -

Fermer la vanne d'entrée du fluide chaud puis du fluide froid (veiller à ne pas isoler une partie chaude de conduite entre deux vannes) .

3 -

Laisser refroidir l'appareil

4 -

Fermer les vannes de sortie

L'appareil doit se refroidir progressivement. La contraction des produits lors du refroidissement doit se faire sans mise sousvide . Un appareil prévu pour résister à la pression ne résiste pas au vide.

5 - Si le fluide chaud est un produit lourd, réaliser un rinçage au gasoil ou solvant adapté 6-

Ne pas interrompre l'écoulement des produits

Vidanger l'appareil Dès que l'appareil est isolé sur vanne il faut commencer la vidange (pour le moins partielle) .

Eviter le figeage du produit.

soit par gravité, après avoir ouvert les évents, pour des produits à basse tension de vapeur (gasoils, solvants, .. .). soit vers la torche par des flexibles pour les produits tels que les GPL. Selon consignes

7-

Vaporiser ou inerter .

Vers torche (GPL) slops ou égout huileux (essence, gasoils, ...) bac pour produits spéciaux. S'assurer une très légère pression de vapeur (quelques mbar). Les flexibles seront appropriés au fluide.

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8 - Mettre en place des platines d'isolement d'épaisseurs normalisées en fonction de la pression aux points prévus sur le schéma d'isolement . Balayage à la vapeur ou à l'azote de l'échangeur avant ouverture.

Les tronçons de conduite et les vannes sont obligatoirement obstrués. Le jointage de l'appareil doit tenir compte du démontage ou non des têtes de l'échangeur pour vaporiser les conduites démontées.

Remarques : lors du desserrage des boulons se placer toujours à l'opposé des boulons que l'on desserre . Ne pas effectuer de dédoublage (enlèvement d'un bouton sur deux), avant l'obtention d'un permis de travail. Si la calandre doit être enlevée certaines platines d'isolement seront remplacées par des brides pleines.

Renouveler les analyses de gaz tant que les résultats ne permettent pas de travailler en sécurité .

Si l'appareil a contenu des produits toxiques (H2S, SC3, etc), la mise en sécurité devra s'effectuer avec des masques d'adduction d'air.

Ii -

MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR CHAUD

0-

Epreuve à la pression de service

1 -

Enlever les platines d'isolement et mettre en place des joints neufs .

2

- Inerter suivant consignes calandre et \- faisceau .

3 -

par le service entretien masque d'adduction d'air si nécessaire . azote ou vapeur

pour chasser l'air si possibilité de création de mélange explosif.

Remplissage côté fluide froid de bas en haut avec. le produit process ou du produit adapté (ex : gasoil, solvant) .

évent ouvert s'il n'y a pas eu d'inertage, et flexible vers égout.

4 - Echangeur plein, fermer l'évent, et faire circuler le produit froid .

vanne du bas ouverte décoller la vanne du haut.

5-

Faire circuler le produit chaud .

6-

Fermer les vannes de by-pass calandre et faisceau .

7-

Resserrage à chaud des brides .

8 -" Vérifications

vanne du bas ouverte, décollée.

vanne du haut

réaliser une montée en progressive (50 °C/heure) .

température

respecter la montée en température. surveiller les fuites aux brides . appareil en service normal démontage des flexibles.

bouchonnage des purges et évents.

-

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3

111- MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR FROID - Enlever les

platines d'isolement et mettre en place des joints neufs .

démontage des flexibles

2-

Balayer à l'azote calandre et faisceau

3-

Mise en froid de l'appareil

afin d'éliminer toute trace d'humidité O

1

bouchonnage des purges et évents .

- remplissage côté produit à refroidir - décoller puis ouvrir la vanne

n

ou D

- décoller la vanne de sortie U ou OO : la

circulation met l'échangeur température du produit .

à

la

(D on utilise aussi du méthanol (produit avide d'eau) ou autre . On peut aussi faire des teneurs en eau.

© - - - - lignes de mise en froid facultatives selon des procédures . en général

- décoller la vanne d'entrée C ou ® du fluide réfrigérant puis l'ouvrir. - ouvrir lentement la vanne de sortie D ou Q) . - la température de l'échangeur sera progressivement contrôlée par l'ouverture de ou 30.

- produit à refroidir côté faisceau - fluide réfrigérant côté calandre. il y a vaporisation de celui)ci. Mise en température de l'échangeur qui peut durer plusieurs heures . (abaissement souhaité de la t° = 30 °Clh).

n

IV - ISOLEMENT D'UN ECHANGEUR FROID 1 -

n.

Fermer graduellement la vanne de sortie du produit réfrigérant

2 -

Après fermeture complète de D, isoler C.

3 -

Décomprimer lentement la calandre vers la torche ou autre circuit.

4 5-

-isolement du faisceau . A puis et vidanger.

U

Fermer

opération inverse de la mise en froid (durée de même ordre de grandeur).

l'appareil se met à la température du produit à refroidir. . en maintenant une petite circulation côté produit. à refroidir et en contrôlant la t° de ce dernier. Si la t° baisse de trop, réduire la décompression.

Inertage de l'échangeur avant jointage.

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4

V-

CONTROLE NORMAL DE L'ÉCHANGE ET SUIVI DES PERFORMANCES Pour un produit donné, on caractérise la qualité d'un échange thermique par le coefficient global d'échange . L'encrassement de l'appareil est suivi par le calcul de ce coefficient à partir du relevé des températures entrées et sorties des deux fluides et des deux débits . Sur les échangeurs à forte charge thermique et qui sont connus pour s'encrasser rapidement, le calcul du coefficient d'échange est fait régulièrement, quelquefois directement par ordinateur. A partir d'une certaine valeur d'encrassement il peut devenir économique d'effectuer le nettoyage de l'échangeur en marche s'il est bipassable.

VI - NETTOYAGE DES ÉCHANGEURS Lorsque la qualité de l'échange diminue, il faut procéder au nettoyage de l'appareil qui peut s'effectuer de deux façons, soit en marche à l'aide de produits chimiques, soit mécaniquement après démontage de certains éléments.

1 -

NETTOYAGE EN MARCHE Ce procédé est utllisé sur le côté à nettoyer s'il peut être bipassé . Les températures de fonctionnement doivent correspondre à celles du nettoyage (solutions chimiques ); sinon il faut isoler l'autre fluide . On utilise comme agent de nettoyage des solutions à base d'acides chlorhydrique ou sulfurique que l'on fait circuler dans l'appareil . De nombreux produits existent sur le marché et leur utilisation nécessite une connaissance exacte des matériaux constituant l'appareil et de la nature des dépôts . La durée de l'opération sera fonction de la qualité et de l'épaisseur des dépôts ; des analyses fréquentes seront effectuées sur le produit de circulation : suivi du pH. En fin de nettoyage, on fera circuler un produit neutralisant à base de soude ou de carbonate de soude. La mise en oeuvre de produits chimique dangereux nécessitera le balisage de l'aire et le port par le personnel du matériel individuel de protection.

2-

NETTOYAGE MÉCANIQUE APRES DÉMONTAGE Après dépose des têtes de distribution, un faisceau peut être nettoyé sur le site soit à la main (tube par tube) à l'aide d'un écouvillon, monté sur tige ou sur turbine à air, ou au moyen d'un jet d'eau haute pression . l'utilisation de pompe haute pression (HP) pouvant atteindre 1000 bars nécessite le respect des consignes de sécurité liées à la mise en oeuvre de ces engins (risques de rupture des flexibles). Selon la nature des dépôts, on peut être amené à faire tremper le faisceau dans des solutions chimiques et ensuite effectuer un "mitraillage" à la pompe haute pression.

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erzpm

Risques et Précautions liés au Matériel

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

TRAVAUX SUR ÉCHANGEURS

D

I

-

INTERVENTIONS SUR ECHANGEURS . . . ... ... .. .. . . . . .. . .. . ..... . ... ... ... ..... . .. . . ..... ... ... ... . .. .... .. . ... .. . .. . ...1

II

-

CONSTITUTION D'UN ÉCHANGEUR . ... ..... ... .. ... ... . .. ... ... . .. .. . ... ... .. . ... ... ... ... . .. ... ... . . . . .. ... . ... ... .. . ...1

III -

PLATINAGE DE L'APPAREIL . ... ... ..... . .. ... .. . . . ... . . ... .. . ... ... .. . ... ... ... ... ... ... .... .. ... ... . . . . ... ... .. . ... ... ... ... ..2

IV -

INTERVENTIONS SUR LES ÉCHANGEURS .. .. . .. .... .. . .. .... .. . .. . ..... . . . . .. . ... .. . ... .. . .. . . .. ... ... . .. ..... .. .2 1 2 3 4

V -

-

Nettoyage ...... ......................... ....... .... . ..................... ..... .......... ... ..... ......... ... ............................... . . .. . ... . .. . . .... 2 Démontage et remontage du faisceau ................. . ......... ..... ........ .... . ......... ........ ..... ........ . . . . ......... .... ........... 3 Recherche de fuite ...................... .. . .......................... .... ......... ......... .... ..... .................... ...... ................. ........ 3 Détubage, retubage partiel ou total ................................... ......... . .................................. . ....... . .................. . . 5

DÉGRADATIONS TYPES TROUVÉES À L'OUVERTURE DES ÉCHANGEURS .. .. . .. ... . .. . .. . . .. .6

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9,AD

I-

INTERVENTIONS SUR ÉCHANGEURS II arrive fréquemment que le service entretien intervienne sur les échangeurs hors arrêts importants . Les raisons de ces interventions sont multiples appareil encrassé - côté tube ou calandre étanchéité douteuse après plusieurs chocs thermiques subis lors des changements de régime fuites sur un ou plusieurs tubes fuites non étanchables aux joints de boîte de distribution, etc. visite réglementaire (se fait généralement lors des grands arrêts) Deux cas sont possibles l'appareil peut être isolé sans dommage pour la production l'appareil ne peut être arrêté sans arrêt total de la section ou de l'unité à laquelle il appartient Dans les deux cas, les travaux doivent s'effectuer rapidement, il est donc nécessaire de planifier, de préparer et de suivre avec attention leur déroulement. Lors de laa préparation de l'échangeur pour visite et travaux, on vérifiera si -

II -

les joints sont disponibles (joints pour épreuve et pour montage final) les tiges filetées sont en bon état et ne nécessitent pas de remplacement les platines d'isolement sont disponibles en nombre et en quantité (épaisseur suivant règles en vigueur)

CONSTITUTION D'UN ÉCHANGEUR Le schéma ci-après représente un échangeur de type AES. L'appareil est constitué d'une calandre d'une boîte de distribution avec ou sans couvercle d'un couvercle de calandre (côté tête flottante) d'un faisceau tubulaire d'une tête flottante avec anneau en 2 parties de chicanes, de tirants et d'entretoises

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Schéma d'un échangeur de type AES

Ill - PLATINAGE DE L'APPAREIL Pose des joints pleins côté boîte de distribution et côté calandre suivant liste établie au préalable comportant diamètre, épaisseur des platines et date de pose .

IV - INTERVENTIONS SUR LES ÉCHANGEURS nettoyage intérieure et extérieur des tubes démontage et remontage du faisceau recherche de fuite détubage, iretubage partiel ou total

1-

NETTOYAGE Selon l'importance de l'encrassement on peut nettoyer l'appareil en place à l'eau, à la vapeur ou avec un produit chimique . Ceci peut se faire, l'échangeur en service ou l'échangeur hors service . Le nettoyage hors service nécessite le platinage et la circulation du produit chimique généralement dans les deux sens de circulation.

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2-

DÉMONTAGE ET REMONTAGE DU FAISCEAU a - Démontage isolement par les joints pleins démontage boîte de distribution, couvercle calandre et tête flottante sortie du faisceau nettoyage de toutes les pièces déposées

b - Remontage mise en place du faisceau montage boîte de distribution et tête flottante épreuve côté faisceau montage couvercle calandre épreuve côté calandre dépose des joints pleins d'épreuve

3-

RECHERCHE DE FUITE Application Expliciter les opérations suivantes recherche de fuite du joint de tête flottante, échangeur en place recherche d'un tube fuyard échangeur en place épreuve du faisceau au sol Le détail de l'anneau d'essai éventuellement nécessaire pour ces opérations est représenté planche n°l.

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a - Joints de tête flottante fuyard - Planche 2 isolement par joints pleins d'épreuve côté calandre dépose couvercle calandre mise en pression côté faisceau (intérieur des tubes) afin de constater si la fuite est côté joint tête flottante, si oui déposer la tête flottante, changer le joint et faire l'épreuve b - Un ou plusieurs tubes fuyards pose de joints pleins ou de brides pleines sur les tubulures côté faisceau déposer la tête flottante et remettre à la place l'anneau d'essai si la boîte de distribution a un couvercle, le déposer (planche n°3 et planche n°1) sinon mettre à sa place la contre-bride d'épreuve (planche n°4) mise en pression côté calandre (extérieur des tubes) L'eau pénètre à l'intérieur du tube fuyard et apparaît aux extrémités . Nota Rechercher un tube fuyard sans utiliser l'anneau d'essai est une opération pratiquement vouée à l'échec car l'eau pénètre dans le tube percé, remplit la tête flottante et s'écoule par n'importe quel autre tube (planche n°5). bouchonner le ou les tubes fuyards (10 % maximum sauf règle contraire) dès que l'épreuve est bonne, dépose de la contre-bride d'épreuve et de l'anneau d'essai remplacer les joints utilisés lors de ces opérations sans oublier le joint entre la plaque tubulaire et la bride de calandre (sortir dans ce cas le faisceau d'environ 1 m) remontage de l'appareil c - Épreuve du faisceau au sol L'emploi de la contre-bride d'épreuve, remplaçant la bride avant la calandre, est indispensable (planche n°6) .

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J

4-

DÊTUBAGE, RETUBAGE PARTIEL OU TOTAL a - Détubage partiel Le détubage partiel est nécessaire pour remplacer des tubes fuyards, ou pour prélèvement d'échantillons . II se fait par découpage au chalumeau des tubes à éliminer par détubage avec la machine hydraulique (tube puller) L'avantage de tube puller est de dégager directement des alvéoles. b - Détubage total découpage des tubes au plus près dés deux plaques tubulaires (généralement à la scie circulaire) nettoyage des plaques tubulaires par débagage des alvéoles avec alésage préalable de la partie dudgeonnée au diamètre extérieur du tubes moins 1 mlm nettoyage .soigné des alvéoles et de leurs rainures libérer les chicanes, les tirants, les entretoises procéder au nettoyage complet de toutes les pièces c - Retubage total -

remontage du squelette de l'échangeur (plaques tubulaires, chicanes, tirants, entretoises) avec mise de niveau sur un châssis berceau

miseen place des tubes et dudgeonnage -

dudgeonnage avec machine à limiteur de couple avec graissage et nettoyage du dudgeon après chaque opération

-

remontage suivant Le serrage des boulons peut se faire au "boit tensionner" .

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D V-

DÉGRADATIONS TYPES TROUVÉES À L'OUVERTURE DES ÉCHANGEURS

" Calandlre corrosion généralisée par cratère du couvercle, profondeur 1,5 à 2 mm, ou en partie basse corrosion par piqûres au niveau de is génératrice inférieure corrosion légère au droit des chicanes portée de joint détérioré piquages corrodés " Travaux consécutifs à ces dégradations

suivi des corrosions par cratères (d'une ouverture à l'autre) réusinage des portées de joint avec rechargement de la plaque sablage interne de la calandre (visite officielle) resurfaçage de la portée de joint de calandre " Faisceau

corrosion bactérienne portée de joint de tête flottante en mauvais état (serrage précédent) corrosion aux extrémités de tubes corrosion par cratères des plaques tubulaires demi-lunes déformées (serrage précédent) corrosion par piqûres des tubes déchaussement des extrémités de tubes + forte corrosion plaques tubulaires détérioration des feuillards latéraux Boîte de distribution

remplacement des deux demi-lunes corrosion généralisée par cratères soudure des piquages inférieurs et supérieurs corrodés soudures des cloisons corrodées mauvais état des portées de joint cassure des soudures des cloisons déformation de la cloison, plus perte d'épaisseur Travaux consécutifs à ces dégradations

retubage complet ou partiel (quelques tubes ou une passe au total) réusinage des portées de joint redressage des cloisons et/ou rechargement, puis réunissage réparation des piquages remplacement de tiges filetées sablage de la B.D. remplacement de la cloisons centrale + recuit

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DÉTAIL DE L'ANNEAU D'ESSAI

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DÉTAIL DU JOINT DE TÊTE FLOTTANTE

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- Planche n°1©1995 ENSPM Formation Industrie

RECHERCHE D'UNE FUITE DU JOINT DE Te-TE FLOTTANTE - Échangeur en place -

- Planche n°2 ©1995 ENSPM Formation Industrie

RECHERCHE D'UN TUBE FUYARD AVEC L'ANNEAU D'ESSAI SEUL - Échangeur en place -

- Planche n°3 ©1995 ENSPM Formation Industrie

10

RECHERCHE D'UN TUBE FUYARD AVEC L'ANNEAU D'ESSAI ET LA CONTRE-BRIDE D'ÉPREUVE - Échangeur en place -

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1

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- Planche n°4 ©1995 ENSPM Formation Industrie

RECHERCHE D'UN TUBE FUYARD AVEC LA CONTRE-BRIDE D'ÉPREUVE SEULE - Échangeur en place -

- Planche n°5 ©1995 ENSPM Formation Industrie

ÉPREUVE DU FAISCEAU AVEC CONTRE-BRIDE D'ÉPREUVE - Échangeur au sol -

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- Planche n°6 -

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enspm FORMATION INOUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE RÔLE, DESCRIPTION ET PRINCIPAUX TYPES DE FOURS

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I

Risques et précautions liés au matériel

- RÔLES DES FOURS . . . . .. . .. . . . . . . . .. . . . . .. . .. . .. . . .. . ... . .. . . .. .. . .. . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. . .. . . . . . . . .. .. . .. . . . . . . . .. ... . .. . .. .. . . . . . 1

II - PRINCIPAUX TYPES DE FOURS .. .. . ... . .. .. . . .. . .. . . .. . . . .. . . . .. . .. . .. . . . . . . . .. ... .. . . .. .. . .. . . .. .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . . .. 2 Fours cylindriques verticaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Fours cabines à brûleurs sur la sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Fours cabines à brûleurs sur les parois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

III - RENDEMENT DES FOURS . .. . .. . . . . .. . ... . .. .. . ... . . .. . .. . . .. . . . . . .. .. . . . . . . . .. . .. . . .. . . . . . . .. ... . . . . .. .. . . . . . . . . .. . . . . . ... .. . . 5 Définition . .... .... . .... ..... .... . .... .... . .... ... . .... .: .. ..... ... .... .... ..... ..... ... . .... .... . .... ..... ..... .... . . ... ........ ..... ..... .... ... . . ..... ..... . 5 Paramètres dont dépend le rendement d'un four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Possibilités et limites à l'amélioration du rendement d'un four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- S

IV -

RÉPARTITION DE L'APPORT DE CHALEUR DANS LES DIFFÉRENTES ZONES D'ÉCHANGE .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. ... .. . . . . .. ... ... ... . .. . .. . .. . . .. . . . .. . . .. . . . . .. . .. . . . ... . .. .. . .. . . .. .. . .. . .. . .. . . . .... .. . .. .. . ..13 Apport de chaleur dans la zone de radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Apport de chaleur dans la zone de convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Répartition de la chaleur dans la zone de convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

V -

CONSTRUCTION DES FOURS . . .. . . .. . .. .. . . .. . . . . ... .. . .. . . .. . . .. . ... . . . .. . .. . ... .. . . . . .. . . . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . . . .. ... . .. 14 Charpente et casing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Isolements réfractaires . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Zones d'échange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6/312000

© 2000 ENSPM Formation Industrie

Révision 0

I -

RÔLES DES FOURS Dans la plupart des unités de raffinage ou de pétrochimie l'apport de l'énergie thermique requise par le procédé se fait par l'intermédiaire de fours à chauffage direct dans lesquels l'énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tubes . Cela justifie l'appellation four tubulaire généralement donnée à ce type d'appareil . Selon l'effet de l'apport de chaleur au fluide de procédé, on peut distinguer : les fours de réchauffage de fluide sans changement d'état physique dans lesquels la charge liquide ou vapeur ne reçoit que de la chaleur sensible . C'est le cas par exemple des fours des unités de reformage catalytique ou d'hydrotraitement de coupe de tète de distillation du pétrole brut dans lesquels la charge déjà vaporisée à l'entrée du four est portée à la température nécessaire au déroulement des réactions chimiques sur les lits de catalyseur . des fours "à huile chaude" (encore appelés chaudières) où un liquide caloporteur reçoit l'énergie thermique qu'il cède ensuite dans des réchauffeurs des surchauffeurs de vapeur indépendants des fours de vapocraquage quand la vapeur produite dans les échangeurs de ligne de transfert n'est pas surchauffée dans la zone de convection. les fours de réchauffage de liquide avec vaporisation partielle que l'on rencontre en particulier dans les unités de distillation : four de distillation atmosphérique ou sous-vide de pétrole brut, four de rebouillage . Dans ces fours, la charge reçoit de la chaleur latente pour atteindre le degré de vaporisation requis . les fours de réchauffage de fluide avec réaction chimique. Le faisceau tubulaire du four peut alors être assimilé à un véritable réacteur chimique . On rencontre ce type de four dans les unités de craquage thermique : craquage thermique de distillats viscoréduction de résidus vapocraquage (fabrication d'éthylène) reformage à la vapeur (fabrication d'hydrogène). Dans ce dernier cas un catalyseur est déposé à l'intérieur même des tubes du faisceau .

II -

PRINCIPAUX TYPES DE FOURS II existe une grande variété de fours tubulaires qui diffèrent notamment par leur géométrie .

1 -

FOURS CYLINDRIQUES VERTICAUX La figure ci-dessous présente une vue écorchée d'un four cylindrique vertical.

Les brûleurs situes sur la sole du four réalisent le mélange air-combustible et la combustion . Les flammes se développent dans la zone de radiation dans laquelle les tubes sont chauffés par rayonnement . Au sommet de la zone de radiation, la température des gaz de combustion est de l'ordre de 700 à 800 °C et de ce fait le rayonnement est plus faible. Qc 2000 ENSPM Formation Industrie

La récupération de chaleur sur les fumées est poursuivie dans la zone de convection fonctionnant comme un échangeur tubulaire . Les fumées refroidies sont rejetées à l'atmosphère par l'intermédiaire de la cheminée. Au cours de son trajet dans le faisceau tubulaire, le fluide de procédé parcourt successivement les zones de convection et de radiation . La charpente métallique et l'enveloppe métallique du four (le casing) sont protégées de la chaleur par une isolation interne réalisée en briques ou béton réfractaires ou encore en fibres céramiques . Les fours cylindriques verticaux sont caractérisés d'un point de vue géométrique par un axe de symétrie vertical. Pour un four équipé d'un seul brûleur, celui-ci est situé au centre de la sole . Si pour obtenir une puissance thermique élevée plusieurs brûleurs sont nécessaires, ceux-ci sont disposés sur un cercle centré sur l'axe du four. Selon la puissance thermique du four les dimensions des zones de radiation varient entre 1,5 m et 13 m de diamètre avec des hauteurs allant de 2,5 m à 25 m. 000 th/h ce qui Les puissances thermiques les plus élevées de ces fours sont de l'ordre de 70 t' correspond à la combustion d'environ 7 tlh de combustible,

2-

FOURS CABINES À BRÛLEURS SUR LA SOLE La vue ci-dessous présente un exemple de four cabine à tubes horizontaux .

ZONE DE CONVECTION

ZONE DE RADIATION

© 2000 ENSPM Formation Industrie

II se distingue essentiellement du four cylindrique par l'existence d'un plan de symétrie ce qui conduit à disposer un grand nombre de brûleurs sur la sole pour réaliser un véritable rideau de flammes dans le plan médian de la zone de radiation . La largeur de la zone de radiation est d'environ 6 m et la hauteur de 10 à 15 m . La longueur du four dépend de la puissance thermique par le nombre de brûleurs qu'il est nécessaire d'installer . Elle peut atteindre 40 m.

4 m

ô w 0

Dans certains cas, pour limiter la longueur du four on découpe la zone de radiation en deux cellules disposées parallèlement et surmontées d'une zone de convection commune (schéma ci-contre) . Dans le cas de fours de faible longueur, les brûleurs peuvent être disposés sur les pignons

3-

FOURS CABINES À BRÛLEURS SUR LES PAROIS Certains procédés comme le vapocraquage exigent un apport de chaleur intense au faisceau tubulaire et à un niveau de température élevé . Pour atteindre cet objectif il est nécessaire de répartir l'apport de chaleur sur toute la hauteur du four ce qui conduit à disposer des brûleurs sur toute la surface de la paroi. Le faisceau tubulaire est alors situé dans le plan médian du four. La zone de convection est utilisée pour préchauffer la charge et la vapeur de dilution et éventuellement pour surchauffer la vapeur produite dans [es chaudières de trempe.

Chaudières de trempe Arrivées en zone de radiation charge + vapeur A

ô w 0

Oc 2000 ENSPM Formation

Industrie

III -

RENDEMENT DES FOURS 1 -

DÉFINITION La notion de rendement d'un four apparaît par le fait que le débit de chaleur libérée aux brûleurs par la combustion n'est pas intégralement transmis au fluide procédé . On constate en effet des pertes thermiques qui ont essentiellement deux origines les pertes par les parois du four (Q parois) sont dues aux imperfections de l'isolation thermique par les matériaux réfractaires . Dans le cas des fours récents de grande puissance thermique elles représentent 1 à 2 % de chaleur libérée aux brûleurs (Q entrée) . Elles peuvent être beaucoup plus importantes dans le cas de fours anciens dont le réfractaire est défectueux . les pertes par les fumées (Q fumées) qui évacuent à l'atmosphère un débit de chaleur relativement important représentant en général entre 5 et 20 % de celui qui est libéré aux brûleurs . Le bilan thermique du four s'exprime Q

entrée = Q absorbée + Q fumées + Q parois

Le diagramme ci-dessous donne une représentation graphique du bilan thermique 1à2%

Q entrée

Le rendement d'un four ïl (eta) est défini comme le rapport du débit de chaleur absorbé par le fluide procédé au débit de chaleur fourni au four par la combustion (Q entrée) .

Rendement

Q absorbée ,

( D~0 )

100

Q entrée

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En utilisant le bilan thermique du four, le débit de chaleur absorbée peut encore s'exprimer Q absorbée

_- Q entrée Q fumées -

Q pertes

L'expression du rendement devient entrée - Q fumées -

Rendement

pertes

Q entrée

X

100

Soit encore Rendement rl (%) =100 % - % pertes fumées - % pertes parois

2 -

PARAMÈTRES DONT DÉPEND LE RENDEMENT D'UN FOUR Le pourcentage de pertes par les fumées dépend de deux paramètres l'excès d'air de combustion qui accroît le débit de fumées et diminue le rendement du four. En effet, le débit d'air excédentaire consomme de l'énergie libérée aux brûleurs pour s'échauffer de la température ambiante à celle de rejet des fumées . La combustion en excès d'air se traduit par la présence d'oxygène dans les fumées en teneur d'autant plus élevée que ('excès d'air est grand . Ainsi, le pourcentage de pertes aux fumées dû à l'excès d'air peut être estimé par la relation approchée Pourcentage de pertes fumées dû à l'excès d'air

aux

la température de rejet des fumées qui est d'autant plus élevée que la récupération d'énergie est moins bonne et donc le rendement du four plus faible. Le pourcentage de pertes aux fumées dû à leur température de rejet s'obtient approximativement par Pourcentage de pertes aux fumées dû à leur température de rejet

-

Température des fumées (°C) 20

Les pertes par les parois quant à elles peuvent être estimées à 2 %.

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D ,

~2 -~

Appliquées aux conditions de fonctionnement du four présentées ci-dessous, ces règles d'estimation permettent d'évaluer son rendement.

F,,

1

133

e~9 21

ALIMENTATION FUELOIL VAPEUR ASSISTANCE g

ALMENTATION FUEL GAS

0

Pertes par les fumées -

dues à l'excès d'air

-

dues à la température de rejet

Pertes par les parois pertes totales =

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J

3-

POSSIBILITÉS ET LIMITES À L'AMÉLIORATION DU RENDEMENT D'UN FOUR L'expression indirecte du rendement d'un four montre que celui-ci est affecté par des pertes de deux natures -

pertes aux parois pertes aux fumées

L'amélioration du rendement repose sur la réduction de ces pertes . a - Réduction des pertes aux parois Ces pertes peuvent être réduites par l'accroissement de l'isolation thermique . Cependant, leur niveau actuel étant faible (1 à 3 %,) l'intérêt économique de cette solution est relativement limité . L'utilisation de panneaux isolants installés derrière les réfractaires permet d'améliorer l'étanchéité thermique . b - Réduction des pertes aux fumées Réduction de l'excès d'air Cette réduction permet l'économie de combustible utilisé pour réchauffer l'air en excès de la température ambiante à la température des fumées . Elle rencontre cependant comme limite correspondent

l'apparition

d'imbrûlés dans

les fumées auxquels

une perte de chaleur de combustion (donc un nouveau type de dégradation du rendement) un encrassement de la zone de convection réduisant son efficacité un risque de post-combustion des imbrûlés présentant un danger pour le personnel et le matériel Les équipements de contrôles permettant d'apprécier l'apparition d'imbrûlés aux fumées sont (planches pages suivantes) -

l'opacimètre, dans le cas de combustibles liquides l'analyseur de CO dans le cas de combustible gazeux

La réduction de l'excès d'air peut toutefois être obtenue en utilisant des brûleurs soignés réalisant un bon mélange de l'air et du combustible, en particulier, par la turbulence de l'écoulement imposé à l'air, celui-ci étant nécessairement admis sous pression en utilisant de l'air chaud préchauffé qui favorise la combustion . Enfin, si la température de rejet des fumées est basse, la recherche de la combustion à bas excès d'air présente un intérêt limité .

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OPACIMÈTRE À RÉFLEXION DE LUMIÈRE

Fibre optique émettrice depuis boîtier électronique

.c

Capteur amovible acier inoxydable Ciéflecteur

Gaine protectrice vers boîtier électronique

Fibre optique réceptrice vers boîtier électronique m âW 0

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10

PRINCIPE DE L'ANALYSE INFRAROUGE DE CO ET C02 DANS LES FUMÉES

100

e

C02 TRANSMISSION

CO TRANSMISSION _ e

I

il I

20 0

Microns

Émetteur infra-rouge Miroir tournant ®

8

00 ,

C9

o~r

Cellule de référence

0,=0co

Co+&

b®' c

--~

Échantillon

Cellule de mesure

F

ca. 8 CIO e.

A-

Membrane

Détecteur --" Molécules gaz analysé 0

0

o

Autres molécules

W

a

D'après documentadon BECKMAN

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Dans le cas de brûleurs à air pulsé, l'air étant admis par un ventilateur, son débit peut être réglé par action sur les ventelles à l'aspiration du ventilateur ou dans les gaines d'air au refoulement et être asservi au débit de combustible . Toutefois l'asservissement doit être conçu pour éviter la formation d'imbrülés pendant les phases de changement rapide du débit de combustible . "

Abaissement

de la température des fumées

C'est le moyen le plus efficace d'amélioration du rendement du four : un abaissement de 20°C de la température aux fumées correspond à un gain de rendement de l'ordre de 1 %. L'obtention de plus basses températures aux fumées peut être réalisée par l'extension de la surface de convection sur le fluide process . Cette solution rencontre comme limite de température de rejet celle d'entrée du fluide à réchauffer. En outre, il convient de ne pas oublier que l'augmentation de la quantité de chaleur récupérée n'est pas proportionnelle à l'accroissement de surface d'échange . la mise en place d'un service supplémentaire en zone de convection, par exemple une génération de vapeur. Cette solution ne présente d'intérêt que si le débit de vapeur produite n'est pas trop faible (au moins 4 tih) et que le besoin de vapeur existe dans l'usine . le préchauffage de l'air de combustion . Cette solution présente l'avantage de disposer d'un fluide vraiment froid et utile au procédé de combustion mis en ceuvre dans le four lui-même .

a S w 0

Ventilateur de tirage

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Dans le cas où le combustible contient du soufre, l'abaissement de la température de rejet des fumées rencontre comme limite le point de rosée acide à partir duquel apparaissent les problèmes de corrosion sulfurique des surfaces métalliques d'échange . Cette limite peut être repoussée si la corrosion est consentie ou si l'on a recours à des surfaces résistantes à la corrosion (verre, tôle émaillée) . Le diagramme ci-dessous indique l'évolution de la température de rosée acide des fumées en fonction de la teneur en soufre du combustible et de la teneur en oxygène des fumées .

160

Teneur en soufre

Point de rosée

du combustible%

des fumées °C

0

'

2.42

140

120

100

80

60 FAM

0 Teneur en oxygène des fumées

La température de rosée acide des fumées ne constitue pas la limite inférieure de température de rejet des fumées mais la température minimale à laquelle peuvent être portées les surfaces d'échange sans problème de corrosion .

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13

IV - RÉPARTITION DE L'APPORT DE CHALEUR DANS LES DIFFÉRENTES ZONES D'ÉCHANGE 1 -

APPORT DE CHALEUR DANS LA ZONE DE RADIATION La part de la récupération en zone de radiation de la chaleur libérée aux brûleurs peut être estimée en déterminant le rendement de la zone de radiation pertes par les fumées

En négligeant les entrées d'air parasite dans la zone de convection, la teneur en oxygène des fumées sortie radiation est égale à celle en pied de la cheminée . Cela conduit dans les conditions de fonctionnement du four déjà présentées à un pourcentage de pertes dû à l'excès d'air de pertes dû à l'excès d'air = Les fumées quittant la zone de radiation à la température mesurée à la voûte (ou bridge-wall) il correspond un pourcentage de pertes dû à la température des fumées égal à pertes dû à la température des fumées = 2~

=

pertes par les parois

En admettant qu'elles sont localisées dans la zone de radiation, zone la plus chaude du four, le pourcentage de pertes par les parois est donc de pertes par les parois = Les pertes totales de la zone de radiation sont donc de :

+

-

°ô

Le rendement de la zone de radiation est donc égal à Cela signifie que l'énergie transmise en radiation représente

2-

% de l'énergie libérée aux brûleurs.

APPORT DE CHALEUR DANS LA ZONE DE CONVECTION %, ce qui signifie que On sait déjà que le rendement du four est de zones d'échange . brûleurs est transmis dans les différentes Puisque convection .

3-

% sont transmis en zone de radiation, le reste, soit

RÉPARTITION DE LA CHALEUR LIBÉRÉE AUX BRÛLEURS La répartition de la chaleur libérée aux brûleurs s'établit aussi -

zone de radiation

-

zone de convection

-

pertes

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% de la chaleur libérée aux % est transmis en zone de

I

14

V-

CONSTRUCTION DES FOURS 1 -

CHARPENTE ET CASING La charpente , véritable ossature du four, est réalisée en profils sur lesquels des tôles de 5 à 6 mm d'épaisseur sont fixées par boulonnerie ou soudage pour constituer la paroi du four (casing) . Elle supporte le faisceau tubulaire indépendamment des isolements réfractaires et permet une libre dilatation des différentes parties du four. La charpente supporte les efforts dus au poids des éléments constitutifs (faisceaux, réfractaires, carnaux ou cheminée, passerelles, . . .) et ceux liés aux effets du vent. Dans l'exemple d'un four de puissance thermique élevée (200 000 th/h) la répartition des poids des principaux éléments constitutifs se répartit ainsi charpente et tôlerie : 500 tonnes réfractaires isolants : 550 tonnes faisceau tubulaire : 750 tonnes (dont 150 de picots ou studs)

2-

ISOLEMENTS RÉFRACTAIRES L'enveloppe métallique du four est protégée de la chaleur par un revêtement interne isolant constitué de briques ou béton réfractaires ou encore de fibres céramiques.

" Briques réfractaires Les briques réfractaires doivent leurs propriétés isolantes à la porosité obtenue par addition de sciure de bois ou d'un produit chimique provoquant un dégagement gazeux lors de la cuisson . Le tableau de la page suivante (extrait d'une documentation de fournisseur) met bien en évidence les évolutions inverses de la densité des briques et de leur conductibilité thermique et, par ailleurs, les évolutions parallèles de la température maximum d'utilisation de la teneur en alumine AI203 des briques. Classiquement, les briques sont ancrées sur la casing par des crochets métalliques soudés sur la paroi . Pour éviter des charges excessives sur les briques inférieures, des fers plats soudés au casing ou des rondins passant au travers de trous prévus dans les briques renvoient sur le casing les efforts verticaux . Dans le cas de fours cylindriques verticaux, l'effet de la clé de voûte apporté par les parois incurvées évite la nécessité d'ancrages.

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-

15

EXEMPLES DE PROPRIÉTÉS DE BRIQUES RÉFRACTAIRES Propriétés physiques

d <

-

Type

JM 20

1100

I

Densité moyenne kg/dm3

JM 26

JM 28

JM 30

1260

1430

1540

1650

0,50

0,81

0,90

1,04

0,82

1,34

1,49

1,73

I

Température maximum d'utilisation (en atmosphère oxydante) En première et deuxième couche °C

JM 23

0,48

i

Poids moyen d'une brique de 230 . 114 .64 mm en kg

0,76

Module de rupture kglcm2

8,5

9,5

14

18

18

Résistance à la compression à froid kg/cm2

8,5

11,5

16

21

23

1065°C

0,0

1375°C 1400°C

i

Retrait linéaire permanent en % à

v

1230°C

-

0,2

-

-

-

-

0,25

-

-

1510 1 0 1620°C

-

-

-

1730°C

-

Dilatation linéaire réversible en °lo à 1090°C

-

-

-

-

-

-

I

0,2 -

0,8

-

0,7 max.

0,6 max.

I

Résistance à la compression à chaud (% de déformation après 1 h 1/2 sous charge de 0,7 kglcm2 DIN) à 0,15 -

1100°C 1210°C 1260°C 1320°C

-

0,15 -

0,1 0,2

-

-

0,1 0,2

0,0 0,1

-

-

-

-

0,5

200,C 400"C

0,11 0,12

0,11

0,24 0,25

0,30

0,39

8001 C 1000 1C

0,17

0,32

0,35 0,37

1370°C Conductivité thermique (ASTM C-182-71) en kcal/m .h .°C aux températures moyennes de

13001C

0,14 0,15

1200°C

0,12 0,14 0,15 0,17

0,28 0,30

-

-

0,34

44,0

44,4 37,0

38,5

15,4

0,2

0,31

0,33 0,34

0,40 0,41 0,41 0,42 0,45

Pour convertir des kcai/m .h . °C en W1mK, multiplier par 1,162 Analyse chimique en A1 20 3 I- 82 03 1102 Cao 1Mg0

Na20etK20

36,7 0,7 1,2

16,1 0,3 1,1

0,7 1,3 0,3 1,1

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59,2 0,7 0,1

1,8

31,2 67,1 0,6

0,1 0,1 Q1

1,0

25,3

73,4 0,5 0,1 0,9

i

Les schémas ci-dessous montrent des exemples d'ancrage au casing de béton et briques réfractaires .

L'amélioration de l'isolation peut être obtenue en disposant entre les briques et le casing une épaisseur de laine minérale dont le tableau ci-dessous présente des exemples de propriétés physiques . Laine de verre imprégnée de résine thermodurcissable

Nature

Silicate de calcium i

Température limite d'emploi

650°C

1000°C

Masse volumique (kg/m3)

144

240

Chaleur massique kcal/kg .°C

0,20

0,17

100 0 C

0,038

0,060

300 0 C

0,062

0,082

500°C

0,120

0,112

Conductivité thermique kcal/h .m .°C

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17

"

Bétons isolants

Les bétons isolants sont constitués d'un liant hydraulique comme le ciment fondu LAFARGE et d'agrégats isolants tels que la vermiculite . Ils sont coulés ou projetés sur les surfaces à protéger et maintenus en place par des goujons en forme de V ou de Y soudés sur le casing (schéma page précédente) . Plus la température de service des bétons est élevée, plus ceux-ci doivent être denses aux dépends de leurs propriétés isolantes . Cela peut conduire à la mise en place de double-couches de béton, béton de haute densité pour la face exposée à la flamme, et béton moins dense et plus isolant en sous-couche . Les épaisseurs usuelles sont de 5 pouces (environ 13 cm) pour l'isolement des zones de convection et de 6 à 8 pouces (15 à 20 cm) pour les zones de radiation . Des exemples de propriétés de bétons réfractaires isolants sont présentés dans le tableau ci-dessous . Propriétés 14

14-G

Coulé

Projeté

l r"irelite l Mise en ouvre

'I

14 HS Coulé

1230 Coulé

Agrégats poreux

Densité (kgldm 3)

~

Projeté

coulé 1370

P

P. Q

Q

Agrégats isolants

Agrégats isolants

Agrégats isolants

1,57 1,20 1,16

1,49 1,30 1,19

1,62 1,12 1,08

1,70 1,20 1,12

1,72 1,20 1,15

1,75 1,29 1,20

1,83 1,38 1,32

89 60 50 35 -

80 70 60 40

160 90 75 -

43 40 38 30 28 29

65 51 53 60 46 45

48 38 23 29 40

65 63 60 55 50 45

85 49 41 37 42 55

1,90 1,46 1,41

-0,1 -0,1 -0,2 -

-0,1 -0,2 -0,4 -

-0,1 -0,1 -0,2 -

-0,1 -0,2 -0,4 -0,4 -0,6 -

-0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -

-0,1 -0,2 -0,3 -0,6 -1,0

-0,1 -0,2 -0,3 -0,5 -0,8

-0,1 -0,2 -0,3 -0,9

-0,1 -0,2 -0,3 -0,5 -0,7 -0,9

0,21 0,24 0,27 -

0,23 0,27 0,29 -

0,27 0,29 0,31 -

0,22 0,24 0,26 0,28

0,23 0,26 0,28 0,30

0,28 0,30 0,33 0,35

0,29 0,31 0,34 0,36

0,34 0,37 0,40 0,41

0,36 0,40 0,43 0,44

1060

1160

1200

1090

1160

1160

1220

1300

1400

45

36

26

58

50

50

44

41

36

31,4 36,0 7,2 1,4 19,8 3,7 0,3

30,9 36,6 7,3 1,3 19,4 3,9 0,5

28,1 39,9 7,9 1,3 17,0 5,3 0,3

36,8 33,1 5,8 1,3 20,3 1,5 1,1

46,2 34,3 4,7 1,4 10,1 1,5 1,7

44,4 34,6 5,4 1,5 11,7 1,1 1,1

50

50

50

40

50

50

I 105'0 650'0 81510 1000'0 1100'0 1200'C 1300'0

Retrait linéaire permanent (%)après 5 heures 650'0 815'0 1000'0 1100'0 1200'0 1300'0 Conductivité thermique (W/m .K)' ASTM-C-17-60 aux températures moyennes de 200'0 400'0 600'0 800'0 Poids de matériau sec nécessaire par unité de volume de construction (sans tenir compte des pertes) kg/m 3 Quantité d'eau à ajouter par 100 kg de produit sec (litres) Analyse chimique AI203 Si02 Fe203 Ti02 Cao Mg0+K20+Na20 Perte au feu

Projeté

1,48 1,19 1,06

En place Après séchage à 105'0 Après cuisson 5 h à 815'0 (kg/C,2) Résistance à la compression à frcid Après séchage à Après 5 heures à

Coulé 1320

Classe ASTM-0-401 Matière de base

Projeté

2500

1230

1100

Température imite 'C

LW

Emballage en sacs de (kg)

' Pour convertir Wlm.KankcaUm.h.'C,multiplier par0,86

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1

110 85 80 55 60 65

l

18

Fibres céramiques

Les revêtements isolants en fibres céramiques se présentent sous la forme de nappes que l'on empale sur des goujons soudés au casing et fixées par des rondelles de blocage . Elles offrent les avantages d'une grande légèreté et d'une faible conductibilité thermique mais n'ont pas l'étanchéité des réfractaires classiques . Cela conduit à éviter leur emploi dans le cas de combustibles soufrés dont les fumées trouvent dans l'épaisseur de l'isolation la température de rosée acide . Le tableau ci-dessous présente des propriétés des fibres céramiques . Fibres A

Fibres B

blanche

blanche

Masse spécifique moyenne

0,13

0,17

Chaleur spécifique en m th/kg.°C à 20°C

0,84

0,92

Température limite d'emploi conseillée en atmosphère oxydante

1200°C

1420°C

Température de fusion

1760°C

1800°C

47 52 0,2 0,3

60 38 0,1 0,4

excellente

excellente

0,08 0,12 0,18 0,25

0,13 0,17 0,23 0,32

Couleur

Composition chimique moyenne A1203 SiC2 Fe203 K20 + Na20 Stabilité chimique Conductibilité thermique (W/m.K) à à à à

500 0C 700°C 900 0C 1100°C

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11

19

3 -

ZONES D'ÉCHANGE a - Faisceau tubulaire Le faisceau est constitué de tubes en acier parallèles reliés entre eux soit par des coudes à 180° soudés, soit par des boîtes de retour soudées ou mandrinées aux tubes.

Boîte de retour

Coude à 180°C

L'intérêt des boîtes de retour est de permettre l'accès aux tubes pour réaliser un décokage mécanique après avoir enlevé le bouchon dont elles sont munies . Elles sont installées dans des caissons à l'extérieur de la chambre de combustion pour les protéger de la chaleur et les rendre facilement accessibles . Avec la technique du décokage thermique (brûlage du coke), l'usage des coudes est le plus répandu. En zone radiation les tubes peuvent être disposés verticalement, les épingles supportées par leur extrémité supérieure sont simplement guidées pour conserver une libre dilatation horizontalement, reposant sur des supports peu espacés du fait de leur déformation sous l'effet du fluage à haute température

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11

Les schémas ci-dessous présentent des exemples de supports ou de guides de tubes en zone de radiation .

G m w

Support de tube horizontal en voûte

Support de tube horizontal sur parois latérales

Guide de tube vertical

En zone de convection, les tubes sont disposés horizontalement et en quinconce . Leur supportage est assuré par des plaques tubulaires (schéma ci-dessous).

G W 0

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21

4

Ces tubes de la zone de conversion sont en général studdés ou ailetés ce qui augmente leur surface extérieure et améliore le transfert de chaleur . Usuellement la surface extérieure est multipliée par un facteur allant de 2,5 à 4 par rapport à celle du tube nu . Dans le cas de tubes studdés, cela s'accompagne d'une multiplication de la masse des tubes par un facteur allant de 2 à 2,6 .

w

Tubes studd6s

Tube ailetd

L'utilisation d'ailettes est réservée aux fours brûlant un combustible gazeux, les dépôts de suie produits par le brûlage d'un combustible liquide étant moins facilement éliminables qu'avec les studs. Les matériaux métalliques utilisés pour réaliser le faisceau tubulaire doivent résister à la corrosion tant sur la surface extérieure (agression des fumées, des cendres) que sur la surface intérieure (fluide de procédé) et présenter à chaud des propriétés mécaniques suffisantes . Or les propriétés mécaniques des aciers diminuent quand leur température s'élève et ceux-ci sont soumis au phénomène de fluage (allongement non élastique sous charge) . La planche de la page suivante montre l'évolution en fonction de la température, de la contrainte admissible selon la nuance d'acier .

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~11A

22

TUBES DE FOURS - Contraintes admissibles -

fl 20

==

_ =_

__ --

r===_ -

=_ -~~

-

--__= - _-- -_ _ _--

-

Différents aciers d' aprés API RP 530

=-_ --_

400

so L7 -7-__--

,7

t-

aim

60

40

7=1 M

20 HER

400

500

600

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700

Soo

O

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T .3

U

.

N 54~; cF-1

23

La composition chimique des aciers présentés sur les courbes précédentes est indiquée ci-dessous. re Phosphore

Soufre

0,3 à 0,8

0,048

0,058

0,25 max

0,3 max

0,29 à 1,06

0,048

0,058

0,10 min

A 3a5 P 5

0,15 max

0,a0 à 0,60

0,0a0

0,0a0

A 3a5 P 11

0,15 max

0,a0 à 0,60

0,0a0

A 3a5 P 22

0,15 max

0,a0 à 0,60

A 312 TP 304

0,08 max

2,00 max

800 H

0,05 à 0,10

1,5 max

HK 40

0,a5 à 0,45

1,75 max

Masse A 161 Carbone

Low

A 106 Grade B

Carbone

Manganèse

0,1 à 0,2

Chrome

Molybdène

0,50 max

4,00 à 6,00

0,45 à 0,65

0,0a0

0,50 à 1,00

1,00 à 1,50

0,44 à 0,65

0,030

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0,50 max

1,90 à 2,60

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18,0 à 20,2

-

0,015

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19,0 à 2a,0

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1,50 max

23 à 27

19 à 22

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silicium

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Nickel

8,00 à 11,00

b - Échangeurs air - fumées Les échangeurs air-fumées peuvent être classés en deux principales catégories Échangeurs statiques Ils peuvent être constitués de faisceaux tubulaires analogues à ceux des échangeurs à faisceau et calandre comme le schéma ci-après en représente un exemple .

'ÛMÉES VERS CHEMINÉE

FUMÉES SORTIE FOUR

Fa Préchauffeur

MMMM

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M

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Ventilateur

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AIR VERS ., BRÛLEURS

24

Ils peuvent être réalisés avec des éléments ailetés en fonte avec, dans les zones les plus froides, des tubes en verre au borosilicate (schéma ci-dessous) . Les éléments juxtaposés et superposés définissent un circuit côté "tubes" pour l'air de combustion . Les fumées circulent entre les éléments dans la calandre parallélépipédique .

ÉLÉMENT TUBULAIRE MONOBLOC

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25

Échangeurs régénératifs Le transport de la chaleur est assuré par les masses métalliques d'un rotor successivement présentées sur le trajet des fumées et sur celui de l'air. Le schéma suivant en présente un exemple .

d - Ramoneurs Pour conserver le rendement de la récupération de chaleur sur les fumées, il est nécessaire d'entretenir l'état de propreté des surfaces d'échange. La mise en place de surfaces étendues (ailettes ou picots) rend possible l'accumulation de suies lors de brûlage de combustibles liquides . La méthode classique utilisée pour éliminer ces dépôts repose sur le soufflage des suies par un jet de vapeur .

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1

26

Cela peut être réalisé par des lances équipées de nombreux orifices, placées à demeure dans la zone de convection et par lesquelles est injecté périodiquement de la vapeur moyenne pression. Ces lances peuvent encore être rétractiles et ne pénétrer dans la zone de convection que lors des injections de vapeur. Elles ne comportent alors que deux orifices d'injection et pénètrent en tournant dans la zone de convection entraînées par un mécanisme extérieur, un contact de fin de course inversant le déplacement de la lance en fin de trajet. Ce dernier type évite de laisser en place dans les fumées chaudes les lances en dehors des cycles de ramonage et ont une efficacité plutôt supérieure dans la mesure où le nombre d'orifice d'injection étant limité, le jet de vapeur est plus concentré sur les surfaces à nettoyer. Le schéma ci-dessous en montre un exemple .

L'efficacité des souffleurs de suie est malgré tout limitée puisque les tubes concernés protègent leurs voisins de l'impact du jet de vapeur (on ne peut guère espérer atteindre plus de 3 rangées de tubes audessus et au-dessous de la lance) . Cela conduit à la mise ne place d'un grand nombre de ramoneurs et par suite à une consommation de vapeur relativement importante (environ 300 kg de vapeur par ramoneur et par cycle) . Les cycles de ramonage sont de une fais par quart à une fois par jour. Une technique plus récente fait appel à l'émission d'infrasons par un tube de résonance . Cette technique plus efficace (puisque les sons se propagent dans toute la zone de convection) dans la mesure où les zones ne sont pas trop amortis par la géométrie du four et peu onéreuse (absence de consommation de vapeur) est mise en oeuvre avec une très grande fréquence (un cycle de 2 minutes tous les quarts d'heure, par exemple) .

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Le schéma ci-dessous présente un exemple d'installation de ramoneur sonore .

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CYLINDRIQUE

Registre des fumées

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- Planche 1 © 2000 ENSPM Formation Industrie

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- Planche 2 © 2000 ENSPM Formation Industrie

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Risques et précautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

DESCRIPTION DES CHAUDIÈRES

I-

ROLE DES CHAUDIERES ET PRINCIPALES CATEGORIES .... .... . .... . .... . .... . ... . .... . ... . . .. 1

II -

CHAUDIERES A TUBES D'EAU .. . ... ... . ... . ... . .... .... . ... . .... . ... . ..... ... . . ... . .. .. . .... .... . ... . . . .. .... . . .. . . 2 1 - Eléments constitutifs .. ....... .... ........... ... .... ...... ... ... . ... ... ... ... ...... .... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ......... ........ 2 2 - Circulation de l'eau dans la chaudière ... ... ................... ... ... ... . ... ... ... . . ... ... ......... ... ... , ... ... .... ..... 4

III-

CHAUDIERES A TUBES DE FUMEES ... . ... . . ... . ... . ... . .... . . ... . .... . .. . . .. . . . .. . . .... .... . . .. . . ... . ... . ... . . 6

IV - CHAUDIERES DE RECUPERATION .. . ... .... . . .. . . .. .. ... . . ... . . ... . .. . . .... . ... . .... .... . .... . . .. . . .. . . . .. . . ... 7 V-

CONDITIONNEMENT DE L'EAU DE CHAUDIERE .. .. . .... . . .. . . .. . . ... . . ... . .... .... . .. .... . . . . . . . . 9

En annexe Planche Planche Planche Planche

1 2 3 4

: Conditions de fonctionnement des chaudières : Chaudière à tube d'eau - Vue éclatée : Chaudière à tube d'eau - Plan d'ensemble : Schéma de principe du conditionnement de l'eau alimentaire d'une chaudière

Ce document comporte 14 pages

30/1/1995 © 1995 ENSPM-Formation Industrie

I

Révision

0J

1-

ROLE DES CHAUDIERES ET PRINCIPALES CATEGORIES Outre son rôle particulier dans la distribution d'énergie (vapeur de réchauffage, entraînement de turbines), la vapeur d'eau intervient dans les procédés (réactif chimique, vapeur de dilution, de strippage, etc .) et constitue un élément de sécurité (vapeur d'étouffement) . Les chaudières ou générateurs de vapeur sont donc indispensables dans une usine pour assurer de manière fiable le fonctionnement des unités de production . Les chaudières industrielles peuvent être classées en deux catégories principales les chaudières conventionnelles dans lesquelles la chaleur nécessaire à la vaporisation de l'eau est fournie par combustion de liquides ou de gaz, Selon que l'eau ou les fumées circulent à l'intérieur d'un faisceau tubulaire dans les chaudières conventionnelles, on distingue les chaudières à tubes d'eau.et les chaudières à tubes de fumées . les chaudières de récupération utilisant la chaleur disponible dans des fluides de procédés à haute température ou dans les fumées de fours ou de turbines à gaz. En fonction de la nature des fluides et de leurs conditions de disponibilité, les chaudières de récupération peuvent être construites comme les chaudières conventionnelles, n'en utiliser que des éléments ou encore faire l'objet d'une technologie spéciale.

II -

CHAUDIERES A TUBES D'EAU 1 -

ELEMENTS CONSTITUTIFS Les parois d'une chaudière à tubes d'eau sont constituées de panneaux de tubes munis d'ailettes longitudinales opposées permettant de les souder entre eux et de réaliser ainsi une construction étanche.

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Ces parois délimitent le volume dans lequel les gaz de combustion circulent le long des surfaces d'échanges . Les schémas ci-contre montrent une vue de face et une vue de dessus d'une chaudière monobloc . On distingue - la chambre de combustion (B) dans laquelle se développent les flammes produites par les brûleurs (A). Les tubes jointifs qui constituent les parois de la chambre sont soumis au rayonnement des flammes . A l'extrémité de la chambre de combustion des tubes sont déformés en sorte que, disposés en quinconce, ils permettent l'accès des fumées à la zone de convection . - le circuit d'échange convection comprenant parcours pour les fumées .

par deux

Dans le premier parcours (C) se trouvent placés les surchauffeurs E et F. Le deuxième parcours D achève la récupération de chaleur sur les fumées . Les tubes constituant les parois de la chaudière et les zones d'échange C et D aboutissent à deux ballons - le ballon supérieur G réalise la séparation des deux phases liquide et vapeur . La vapeur saturée sort par H avant d'alimenter les surchauffeurs . - le ballon inférieur I alimente en eau liquide tous les tubes dans lesquels l'eau soumise à l'apport de chaleur se vaporise partiellement avant de retourner au ballon supérieur.

Les planches 1, 2 et 3 en annexe montrent le principe et les conditions de fonctionnement d'une chaudière à tubes d'eau ainsi que les vues éclatée et d'ensemble .

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VUE D'UNE CHAUDIÈRE - ÉCLATÉ

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Le schéma suivant montre un autre exemple de chaudière à tubes d'eau dans lequel le trajet des fumées dans la zone d'échange par convection s'effectue du haut vers le bas .

Sur ce schéma on observe la présence de zones d'échanges complémentaires sur les fumées. Elles peuvent permettre la préchauffe de l'eau alimentaire avant son admission au ballon supérieur (économiseur) ou le réchauffage de l'air de combustion.

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-

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2-

CIRCULATION DE L'EAU DANS LA CHAUDIERE Après son préchauffage éventuel dans l'économiseur, l'eau débitée par la pompe alimentaire est admise dans le ballon supérieur. La circulation de l'eau dans la zone de vaporisation est le plus souvent naturelle dans le cas des chaudières industrielles dont la pression est inférieure à 190 bar. Pour des pressions supérieures, la circulation est assurée par une pompe qui en impose le débit . Dans le cas de la circulation naturelle, le ballon supérieur constitue le point de départ de la circulation de l'eau . L'eau liquide du ballon supérieur est dirigée vers le ballon inférieur dans des canalisation non chauffées (colonnes d'alimentation extérieures) ou les moins chauffées de la chaudière (tubes de descente localisés en fin de trajet des fumées) . Du ballon inférieur, l'eau liquide est distribuée dans les différents faisceaux de vaporisation lui permettant de remonter vers le ballon supérieur. Sous l'effet de l'apport de chaleur, l'eau se vaporise partiellement dans ces faisceaux et remonte sous la forme d'une émulsion eau-vapeur de plus en plus chargée en vapeur au fur et à mesure de l'absorption de chaleur . La différence des masses volumiques entre l'eau liquide et l'émulsion conduit sur l'ensemble de la hauteur de la chaudière à la création d'une charge motrice permettant la circulation de l'eau . Cette charge motrice est consommée en pertes de charge par le débit d'eau en circulation .

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La séparation des phases liquide et vapeur est réalisée dans le ballon supérieur, ce qui se traduit par un interface dans ce ballon . La séparation naturelle sous l'effet de la différence de masse volumique des deux phases est favorisée par l'emploi de dispositifs comme les cyclones et sécheurs .

La vapeur saturée sèche est ensuite admise au surchauffeur placé dans le circuit des fumées à la sortie de la chambre de combustion. Selon l'allure de chauffe, la nature du combustible ou l'excès d'air de combustion, les conditions de l'échange de chaleur entre les fumées et la vapeur conduisent, en l'absence de réglage, à une température variable de la vapeur surchauffée . Le contrôle de la température de vapeur surchauffée s'effectue dans les chaudières industrielles par désurchauffe par injection d'eau ou par surface d'échange . Dans le cas de la désurchauffe par injection d'eau, celle-ci est réalisée dans le désurchauffeur qui se trouve de ce fait diviser en deux parties : surchauffeur primaire en amont de la désurchauffe et surchauffeur secondaire en aval . L'intérêt de cette disposition est de garantir que la vaporisation de l'eau injectée est complète avant la mise sur le réseau de la vapeur . La désurchauffe par surface consiste à refroidir la vapeur dans un échangeur auxiliaire qui peut être indépendant ou intégré dans la chaudière. Le plus souvent, les tubes dans lesquels circule la vapeur baignent dans l'eau du ballon inférieur.

9 1995 ENSPM-Formation Industrie

III -

CHAUDIERES A TUBES DE FUMÉES Les chaudières à tubes de fumées sont le plus généralement des petites chaudières (production inférieure à 25 tlh) générant de la vapeur saturée à une pression inférieure à une vingtaine de bars . Le schéma ci-dessous présente la vue éclatée d'une chaudière à tubes de fumées sur laquelle on peut distinguer -

le brûleur avec son ventilateur d'air,

-

le tube-foyer en tôle d'acier ondulée dans lequel se développe la flamme,

-

la boite arrière de fumées permettant de distribuer celles-ci dans le faisceau tubulaire . Une boite de fumées avant (côté brûleur) permet aux fumées de traverser en deux passes le faisceau tubulaire avant leur rejet à une cheminée. la sortie de vapeur saturée équipée d'un déflecteur situé au-dessus du plan d'eau pour limiter l'entraînement de gouttelettes de liquide.

L'alimentation en eau est effectuée à la partie inférieure de la calandre, le faisceau tubulaire étant entièrement noyé dans l'eau liquide . Certaines chaudières comportent dans une boite de fumées un échangeur permettant de surchauffer d'une dizaine de degrés la température de la vapeur produite, ceci afin d'éviter l'apparition de condensats lors du transport de la vapeur de la chaudière à son utilisation .

C 1995 ENSPM-Formation Industrie

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IV - CHAUDIERES DE RECUPERATION La technologie est spécifique et plus ou moins éloignée de celle des chaudières conventionnelles comme le montrent les exemples suivants chaudières de récupération sur les fumées d'un four de reformage primaire d'une usine d'ammoniac

réchauffeur d'air de procédé

surchauffeur HP

vaporiseur de naphta

réchauffeur d'air

La chaleur sensible des fumées à 980°C ne suffisant pas à produire le débit de vapeur nécessaire à l'atelier, la chaudière est équipée de brûleurs additionnels.

chaudières de récupération sur les gaz de procédé d'un atelier d'acide nitrique

Le gaz nitreux N02 servant à la fabrication d'acide nitrique est obtenu par oxydation catalyti-que de l'ammoniac. réacteur catalyseur surchauffeur vaporiseur aisson pompes de circulation

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La chaudière a pour but de refroidir les effluents procédé en produisant de la vapeur surchauffée .

chaudière de récupération sur les gaz d'échappement d'une turbine à gaz Les gaz d'échappement des turbines à gaz sont à une température voisine de 500°C et contiennent environ 16 % volume d'oxygène . lis transportent donc une grande quantité d'énergie qui peut être utilisée pour produire de la vapeur. La post-combustion d'un combustible liquide ou gazeux en utilisant l'oxygène résiduel permet de régler la production de vapeur indépendamment du débit de gaz d'échappement .

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D Chaudière de récupération sur îles effluents d'un four de vapocraquage Les effluents chauds (environ 800 °C) d'un four de vapocraquage doivent être refroidis rapidement pour interrompre les réactions de pyrolyse . Cette opération est réalisée dans une chaudière de trempe qui produit de la vapeur à des pressions de l'ordre de 80 à 120 bars . La chaudière consiste en un faisceau d'échangeurs double-tube, les gaz craqués circulant dans les tubes centraux et l'émulsion eau-vapeur dans les espaces annulaires.

V-

CONDITIONNEMENT DE L'EAU DE CHAUDIERE L'eau de chaudière doit présenter certaines qualités pour éviter entre autres la corrosion caustique la corrosion par gaz dissous l'entartrage l'entrainement par la vapeur de composés minéraux volatils La planche 4 en annexe présente le schéma de principe du conditionnement de l'eau alimentaire d'une chaudière.

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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DES CHAUDIERES -Planche 1 -

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CHAUDIERE A TUBE D'EAU - Vue éclatée - Planche 2 -

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1995 ENSPM-Formation Industrie

12

CHAUDIERE A TUBE D'EAU - Plan d'ensemble SORTIE

VERS

ECONOMISEUR

ECRAN LATERAL

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Planche 3 © 1995 ENSPM-Formation Industrie

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- Planche 4 SCHEMA DE PRINCIPE DU CONDITIONNEMENT DE L'EAU ALIMENTAIRE D'UNE CHAUDIERE

enspm FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

Risques et précautions liés au matériel

MATÉRIEL THERMIQUE FOURS ET CHAUDIERES

Application A

L'exercice aura lieu à la raffinerie ESSO de Fos/mer le mercredi 31 05 2000 de 14h3O à 16h?,0 . Déroulement : Constitution de deux groupes de travail ; le premier sera chargé d'étudier le four de la distillation atmosphérique F2101 ( 12 stagiaires accompagnés de R.Amoratti ), l'autre groupe ( 8 stagiaires accompagné par D .Boust) étudiera les générateurs de vapeur SG1-431/32/33/34 .

Groupe de travail "Foui" : Le F2101 est un four cabine à brûleurs sur la sole ( 16 ) d'une puissance thermique totale de 140 MW. Il est équipé d'un réchauffeur d'air statique dont les tubes les plus froids sont en cours de remplacement par des tubes en verre pour limiter la corrosion sulfurique. Le gain en rendement du préchauffeur est de l'ordre de 10%. Les brûleurs sont bi-combustibles : FG + FO constitué par le fond de la distillation sous vide (produit très visqueux qui nécessite une température de préchauffe importante pour obtenir la viscosité désirée au brûleur). Vous relèverez par binôme : Le circuit FG ( combustible gazeux) jusqu'au brûleurs; description du brûleur incluse. Le circuit FO jusqu'au brûleur. Le circuit air-fumées . Le circuit de procédé ( décokage air/vapeur inclus ) . L''intégralité des capteurs et systèmes de sécurité attachés au four. Le système de ramonage de la convection. Groupe de travail ." CHAUDIERES": Les générateurs sont des chaudières à tube de fumées ( 4), capables de fournir, chacune, 25 t/h de vapeur moyenne pression ( 10 bar ). Cette vapeur est légèrement surchauffée . Vous relèverez par binôme et sur deux chaudières différentes Les circuits FG, air de combustion, . fumées et leurs équipements de régulation et de sécurité . Les circuits eau/vapeur et leurs équipements de régulation et de sécurité. . Le but étant d'obtenir la description la plus complète des équipements en mettant les informations bout à bout. Chaque groupe de travail consacrera # 1h40 de travail à sa recherche et Oh20 à la découverte de l'équipement étudié par l'autre groupe.

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enspm

Risques et précautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

MISE EN CEUVRE DE LA COMBUSTION DANS LES FOURS ET CHAUDIÈRES

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I-

CIRCUITS COMBUSTIBLES - CIRCUITS GENERAUX . . .. . . ... . ... . . .. . . ... . .... . ... . .... . ... . .. .. . . ... . .... . .. .1 1 - Circuit général fuel-oil ... ... ... ... . ... .. . ... .... . . . . .. . . .... ... .... . ..... . .. ... . . . . ... ... . ... ... ... ... . ... ... ... ... . .. . . . .. . ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .... ..1 2 - Circuit général fuel-gaz ... ... ... .... . .. . .......... .... ... . ... ... ... .... ... ..... . . .. . ... ... . . . ... . .. . ... . . . . .. . . .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... . ...2

II -

CIRCUIT COMBUSTIBLE . .... .... . ... ... .... . . . . . .. . . . .. . .. . . .... . . . . .... . . .. . .. . . ... . . ... .... . .... . .... . .... . ... . .... . ... . . .. . . 2 1 - Circuit combustible liquide .. .......... .... .... .. . . . . .. ... ... ... . ... ... ....... ... ... ....... ... ...... .... ... ... ... ... . ... ... ...... . . ... . ... ... . .. ... . ... ... .. 2 2 - Circuit combustible gaz ............. .......... .... .... .... ... ... ..... . . ...... .... .. . ... ... ... ... . ... ... ....... ... ... ... ... ......... ...... .... ... ... ... .... ... 3 3 - Circuit d'incondensables à basse pression ...... ... ... . ... ... ... ... . ... ... . . . . ... ... .......... ... ... ...... . ... ... ... ......... . ..... ...... . ... ... .. 3

III -

CIRCUIT DE L'AIR DE COMBUSTION . . .. . . ... . ... . ... . .... .... . .. . . ... . . .. . . . .. . .... . .... . ... . .... .... . .... . ... . . ... . . . . . 4 1 - Four à air atmosphérique . . . ... ... ... .... ... .... .... .... . . . .......... ............. ....... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ...... ... . ... ... ... ... ...... .. . .... ....5 2 - Four à air admis ous pression .. ... ... . ... .. ...... ... .... ....................... ... ....... ... .... ... . .. ... ...... ... ... ... ... . ...... . ....... .... ... ... ..... 5 5 3 - Chaudières . ... . . ... . .... . . .... . .. . . . . .. . . ....... . ... . . .... . ... . . . .... . ... . . . ... . .... .. . . .. . . .... . . .... . . .... . . . ... . . . ... . .. ... . . .. .

IV -

CIRCULATION DES FUMEES .. . ... ... . . .. ... . . .. . . ... .... . ... . .... .... . ... . .... ... . . ... . .... .... . ... . . . . . . . ... . . ... . .... .... . . 6 1 2345-

V-

... . . ... . . . .... . . .... . .. .6 Four à tirage naturel. . . . ... . . ... . . .... .... . . . . . .. . . .... . . . .. . . .... . . ... . . ... . ... .. . .... . . . ... . . . .. .. .. Profil des pressions dans l'air et dans les fumées du four ... . . ... . . ... . . . .... .. ... . . . ... . . . ..- .- .... .- .. . . 6 Rôle du registre - Contrôle du tirage naturel . ... . . . .... . ... . . . ... . .... . . .... . . . ... . . ... . . . ... . . . ... ."'... ..' .- . .. 9 .11 Four à tirage forcé ... . . . ... . .... . ... . . ... .. .. . ... . .... . . .... . ... . . . ... . . ... . . . ... . .... . . .... . . .... . . ... . . .... . . . ... . . . .... . .. . 14 chaudière . . . ... . . ... . . .... . .... . . .... . . .. . . . ... . . . ... . . ..... .--' . .." ."" dans une Circulation des fumées

BRULEURS ... . ... . .... . ... . .... ... . .. . . ... . ... . ...... ... . .... . ... . .. . .... . . .. . . .. . . ... . .... . ... .... . .... . ... .. . .... . .... . ... . . .. . .... . . 17 .. ... ...... ... .......17 1 - Brûleurs mixtes .. .... ......... . ... .. . .... ... .... ... ............ .. . . ... ... ...... ... ... . ... ... ... .... ............. ... . . . ... ... . ... ... ... ... .. .. ... ... ... ... . ......... ... . . ................18 2 - Brûleurs radiants à gaz . ... .... ....... ............... ... .... .. ........................... ... ...... . ... ........ ... ... ............ ....... ... ... ... ... .... ... .18 . .... ... ... ... . ... ... ... ... . ... ... ... .... ... ... 3 - Atomisation du fuel-oil . .... ... .. . ... . ... ... ........ .... .... ... ..

VI -

ANALYSEURS SUR LES FUMEES ... . ... . .. . . . .. . ... . ... . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . ... . . ... . . ... . . .. . .... . ... . ... . . ... . .... ..18

30/1/1995

-

Révision 0 91f

eC 1995 ENSPM-Formation Industrie

1-

CIRCUITS DE COMBUSTIBLES - CIRCUITS GENERAUX Les circuits généraux de combustibles sont communs à plusieurs fours ou à plusieurs unités ou même à l'ensemble de l'usine . Leur rôle est de chaudières d'une unité, délivrer aux différents appareils un combustible conforme aux exigences des brûleurs .

CIRCUIT GÉNÉRAL FUEL-OIL Le bon fonctionnement des brûleurs exige de la part du fuel-oil qu'il soit disponible à pression et température suffisantes pour en permettre une bonne pulvérisation débarrassé des particules solides qu'il pouvait contenir pour éviter l'érosion des dispositifs utilisés pour le pulvériser Pour répondre à ces exigences, le circuit général fuel-oil comporte, comme schématisé cidessous, des filtres, une pompe, un réchauffeur.

Pornpe

Station de distribution

FiZtre froid

Réchauffeur

FiZtre chaud

BoucZe de retour

Circuit fuel-oil La planche n', 1 représente de manière plus précise un circuit général fuel-oil sur lequel on distingue - le bac de fuel-oil

la station de distribution de fuel-oil comporte au moins deux bacs : l'un en remplissage, l'autre en vidange. Lorsque le bac en remplissage est plein, un échantillon de fuel-oil est prélevé et analysé pour déterminer les caractéristiques de ce dernier, en particulier sa viscosité qui permet de fixer la température de réchauffage du combustible . - les pompes alimentaires sur le schéma, les deux pompes en service sont entrainées par turbine, la pompe de secours est entrainée par moteur électrique . La mise en service de la pompe de secours se produit par pression basse en aval des filtres (PEAL) .

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- les réchauffeurs à vapeur qui peuvent être utilisés séparément ou en parallèle . L'admission de vapeur est contrôlée par la température du combustible mesurée après les filtres et dont la consigne permet d'assurer une viscosité correcte du fuel-oil aux brûleurs (environ 20 cSt). - les filtres dont le rôle est de maintenir les particules de taille supérieure à 200 microns pour éviter l'encrassement du système de pulvérisation du fuel aux brûleurs. Ce circuit général de fuel-oil alimente deux réseaux de consommateurs l'un à 30 bar (boucle HP) dont la pression est maintenue par retour de fuel à l'aspiration des pompes alimentaires l'autre à 15 bar par admission de combustible dans cette boucle BP sous contrôle de pression Un robinet de réglage permet d'assurer une circulation minimum dans cette boucle (par retour aux pompes) pour maintenir la température du combustible .

2 -

CIRCUIT GÉNÉRAL FUEL-GAZ La planche n° 2 montre que ce circuit comporte un ballon accumulateur dans lequel sont rassemblées les productions de gaz combustible des différentes unités productrices . Ce ballon a un rôle de séparateur de condensats et est équipé d'une alarme de niveau haut. La ligne de gaz (exempt de condensats) partant vers les consommateurs est calorifugée et tracée . Elle est équipée d'un indicateur de température, d'un enregistreur de débit et d'un analyseur (densité du gaz). La pression du réseau de gaz combustible est maintenue au niveau du ballon : par dégazage vers torche ou par appoint de gaz provenant de l'évaporateur de LPG .

II - CIRCUITS COMBUSTIBLES 1 -

CIRCUIT COMBUSTIBLE LIQUIDE L'équipement type que comporte un circuit d'alimentation fuel-oil au niveau d'un brûleur, est représenté sur la planche n° 3. On y distingue une vanne de sécurité (SSOV) qui coupe l'admission de combustible au four et permet la mise en sécurité d'un four lorsqu'il y a intervention manuelle de l'opérateur (HS) basse pression du combustible ou de la vapeur d'atomisation (PEAL) apparition d'un autre défaut pré-programmé (par exemple : bas débit de charge, défaut d'air, . . .)

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une vanne de régulation qui permet d'adapter le débit de combustible au besoin thermique du procédé en maintenant la température requise à la sortie du four (TRC) Cette vanne est équipée d'un dispositif limitant sa fermeture afin d'assurer un débit minimum de combustible au brûleur correspondant à une flamme stable (MINI STOP) une alimentation de vapeur d'atomisation dont la pression au brûleur est reliée à celle du combustible par l'intermédiaire d'un dPIC des équipements auxiliaires ; lignes de rinçage et de lessivage ; instrumentation complémentaire

2-

CIRCUIT COMBUSTIBLE GAZ On retrouve sur ce circuit (planche n° 4) les principaux éléments du circuit fuel-oil vanne de sécurité vanne de régulation (avec mini stop) équipements auxiliaires Ce circuit comporte en outre, un ballon séparateur de condensats permettant d'éviter l'entrainement de liquide aux brûleurs gaz.

3 -

CIRCUIT D'INCONDENSABLES Â BASSE PRESSION Les gaz combustibles à trop basse pression pour être admis au réseau fuel gaz sont rassemblés et constituent les "incondensables" . Ils sont brûlés directement dans les fours des unités qui les produisent. Un exemple de circuit est présenté sur la planche n° 5 . Les sécurités et équipements de ce circuit sont similaires à ceux rencontrés sur le circuit fuel-gaz. La différence essentielle réside dan l'absence de régulation du débit .

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III - CIRCUIT DE L'AIR DE COMBUSTION Le débit de combustible admissible sur un brûleur est conditionné par le débit d'air disponible . Celui-ci dépend -

du diamètre de l'ouvreau, de la différence de pression entre l'air en amont du brûleur (caissons d'air) et les gaz dans la chambre de combustion.

Cela conduit les constructeurs de brûleurs à présenter les courbes de capacité de leurs équipements par des diagrammes comme le suivant

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L'échelle horizontale indique le débit de combustible et l'échelle verticale, la différence de pression de part et d'autre de l'ouvreau . Les différentes courbes concernent des diamètres d'ouvreau de 18,19, 20, 22 et 24 pouces .

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Selon le matériel sur lequel est monté le brûleur on peut distinguer les situations suivantes

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1 -

FOUR A AIR ATMOSPHERIQUE La pression de l'air en amont du brûleur est la pression atmosphérique . Dans la chambre de combustion, au niveau de la sole, la pression est inférieure à la pression atmosphérique de la valeur de la dépression à la sole. C'est cette dépression qui constitue l'élément moteur de l'entrée d'air au brûleur . Pour une valeur de 15 mm CE de cette dépression, le débit d'air au travers d'un ouvreau de 20" permet de brûler environ 300 kg/h de combustible .

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2 -

FOUR A AIR ADMIS SOUS PRESSION (OU AIR SOUFFLE OU ENCORE AIR PULSE) A l'aide d'un ventilateur de soufflage, l'air est admis sous pression dans un caisson contenant les brûleurs, comme le montre le schéma suivant La pression dans la chambre de combustion est toujours inférieure à la pression atmosphérique d'une valeur de 15 mm CE par exemple . Si l'air dans le caisson est sous une pression de 300 mm CE supérieure à la pression atmosphérique, la différence de pression de part et d'autre de l'ouvreau est égale à 300 - (- 15) = 315 mm CE Dans ces conditions le débit d'air au travers d'un ouvreau de 20" permet de brûler environ 1 400 kg/h de combustible . L'utilisation sur un four d'air admis sous pression permet pour un débit de combustible donné de réduire le nombre de brûleurs .

3-

CHAUDIERES Dans la mesure où la pression dans la chambre de combustion est supérieure à la pression atmosphérique  le recours à un ventilateur de soufflage est obligatoire pour permettre à l'air de traverser l'ouvreau . Le débit d'air, et par la suite, le débit de combustible, dépendent de la différence de pression entre l'air dans le caisson et les gaz de combustion dans la chambre . © 1995 ENSPIVI-Formation Industrie

IV - CIRCULATION DES FUMÉES 1 -

FOUR A TIRAGE NATUREL

Le tirage naturel repose sur les différences d'évolution de la pression avec l'altitude dans l'air ambiant d'une part et dans les fumées d'autre part. L'évolution de pression en fonction de l'altitude est exprimée par la loi de l'hydrostatique et s'écrit dans; les unités usuelles de la fumisterie AP= Ahxp mm CE m kg/m3 Un exemple de silhouette d'une four à tirage naturel est présenté sur la planche de la page 2. L'échelle verticale permet de repérer les principales cotes du four : zone de radiation, zone de convection, cheminée . Les pressions des gaz sont repérées sur l'échelle horizontale par rapport à la pression atmosphérique au sol .

2-

PROFIL DES PRESSIONS DANS L'AIR ET DANS LES FUMÉES DU FOUR L'évolution de pression dans l'air pour une variation d'altitude de 55 m correspondant à la hauteur de la cheminée et pour une masse volumique de l'air de 1,226 kg/m3 (température de l'air égale à 15 °C) vaut Pair = ~~' ' mm CE Les fumées à la sortie de la cheminée sont à la pression atmosphérique "locale", L'évolution de pression dans la cheminée s'obtient à partir de leur masse volumique . Pour une température de 320 °C, celle-ci est de 0,595 kg/m3. Entre le sommet de la cheminée et le registre, soit une variation d'altitude de 25 m, la pression des fumées s'accroît de APcheminee

mm CE

La différence de pression entre l'air et les fumées au niveau du registre mesure le tirage de la cheminée . Le tirage d'une cheminée est d'autant plus grand que celle-ci est plus haute et que la différence de température entre l'air et les fumées (et par conséquent) la différence de leurs masses volumiques) est plus grande . Le registre constitue un obstacle sur le trajet des fumées. Il en résulte que la pression des fumées est plus élevée sous le registre qu'au-dessus. La différence entre ces pressions mesure la perte de charge causée par le registre .

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Dans la zone de convection, la pression des fumées évolue sous l'effet de la variation d'altitude (avec une masse volumique variable, résultat de l'échange de chaleur) et surtout à cause des pertes de charge provoquées par les différentes nappes de tubes. II en résulte une pression des fumées à la voûte inférieure de seulement 3 mm CE à la pression atmosphérique au même niveau . En-zone de radiation, l'évolution de pression des fumées n'est due qu'à la variation d'altitude (20 m). Pour une température moyenne de 90o °C, la masse volumique des fumées est de 0,296 kg/m3. II en résulte un accroissement de la pression des fumées de AP radiation

mm CE

L'examen des évolutions de pression conduit à constater que dans l'ensemble du four, la pression des fumées est inférieure à la pression atmosphérique à la même altitude. On dit que le four est en dépression .

La dépression, que l'on mesure à l'aide d'un tube en U ou d'un déprimomètre, est la différence locale de pression entre l'air et les fumées . Dans la pratique on s'intéresse aux valeurs de la dépression aux points suivants: à la sole : c'est la dépression qui permet l'entrée d'air aux brûleurs Dépression à la sole = mm CE à la voûte : c'est la dépression la plus faible du four Dépression à la voûte = mm CE en amont du registre : elle mesure le tirage disponible sous le registre Dépression en amont du registre = mm CE La différence entre les dépressions en amont du registre et à la voûte constitue une indication sur les pertes de charge des fumées en zone de convection . Ces dernières augmentent quand le débit des fumées s'accroît (débit de combustible plus important, excès d'air plus grand) . Il peut en résulter une "mise en pression du four" .

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3-

ROLE DU REGISTRE - CONTROLE DU TIRAGE NATUREL Une modification de l'ouverture du registre se traduit par une variation des pertes de charge qu'il provoque et une modification des pressions des fumées dans les zones de convection et de radiation . Ces évolutions de pressions peuvent être représentées sur les schémas de la page 10. Les conséquences d'une fermeture excessive du registre sont les suivantes les dépressions en zone de convection et de radiation sont plus faibles et certains points de four peuvent même être en surpression . C'est l'entrée de la zone de convection - la voûte de la zone de radiation - qui est le premier lieu de la mise en pression du four. Ce point est à cet égard le point sensible du four, -

les fumées chaudes peuvent alors sortir par différents orifices les regards, ce qui présente un danger de brûlure grave du personnel, les défauts d'étanchéité.

Lors de leur circulation vers l'extérieur les fumées cheminent vers des zones de plus en plus froides . Dans le cas de fumées acides, correspondant à la combustion de combustibles à teneur en soufre élevée, la condensation de l'acide sulfurique conduit à des corrosions du casing . L'examen des conséquences d'une fermeture excessive du registre conduit à affirmer qu'un four doit toujours être en dépression. Une ouverture excessive du registre conduit aux conséquences opposées dépressions plus importantes en zones de convection et de radiation, entrée de l'air facilitée en particulier aux brûleurs (d'où un accroissement de l'excès d'air de combustion si l'ouverture des ventelles aux brûleurs n'est pas modifiée) mais aussi par tout orifice résultant des défauts d'étanchéité (regards, portes d'explosions, passages de tubes) . L'air introduit dans ce dernier cas, contribue à fausser l'interprétation de l'analyse des fumées. II est appelé air parasite dans la mesure où il ne contribue pas à la combustion, et où il consomme de l'énergie pour être réchauffé de l'ambiante à la température de rejet des fumées . En conclusion, un four doit être en dépression, mais sans excès . Dans la pratique on cherche à maintenir, par action sur le registre, une légère dépression (3 à 5 mm de colonne d'eau) dans la zone où elle est la plus faible (à la voûte), ce qui garantit que les autres zones du four sont bien en dépression .

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Application : Représenter sur les schémas ci-dessous l'évolution des pressions des fumées en fonction de l'ouverture au registre.

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4-

FOUR A TIRAGE FORCE La circulation des fumées de la chambre de vers la cheminée doit être assurée par un ventilateur lorsque le tirage naturel estcombustion insuffisant ou que les pertes de charge surie circuit des fumées sont trop importantes . On parle alors de tirage forcé .

C'est particulièrement le cas avec (es fours dont le diminution importante de la .température des fumées. haut rendement est obtenu par une Dans ce cas la différence de masse volumique entre l'air ambiant et les fumées dans la cheminée est faible et l'on a peu de tirage naturel, les surfaces d'échange importantes (convection étendue, préchauffeur d'air) introduisent de grandes pertes de charge sur les fumées (un préchauffeur d'air peut introduire une perte de charge de l'ordre de 100 mm CE) . Le ventilateur d'extraction de fumées a pour rôle de compenser la baisse de tirage vaincre les pertes de charge supplémentaires afin de maintenir le four en dépression et de . Un exemple de four équipé d'un préchauffeur d'air est présenté sur le schéma suivant .

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Le profil de pression des fumées a alors l'allure indiquée sur le graphique de la page 13. Les évolutions de pression des fumées dans les zones de radiation et de convection sont conformes aux impératifs de sécurité mis en évidence lors de l'étude du tirage naturel : ces zones sont en dépression. La pression des fumées diminue lors de leur traversée du registre puis de l'échangeur airfumées. Le ventilateur d'extraction des fumées (ou ventilateur de tirage) permet de remonter leur pression au niveau de celle qui s'applique en pied de cheminée . L'examen du profil des pressions dans les fumées conduit encore à constater que sur l'ensemble du circuit, tant en amont qu'en aval du ventilateur, la pression des fumées est inférieure à la pression atmosphérique à la même altitude. En cas de défaillance du ventilateur de tirage (détectée par une sécurité de basse différence de pression entre refoulement et aspiration), l'ouverture du bipasse placé sur les canaux permet d'admettre directement à la cheminée des fumées plus chaudes . Le tirage naturel suffit alors à maintenir le four en dépression . Le constat d'absence d'ouverture du bipasse (détecteur de fin de course ZSH) conduit à la coupure des combustibles si le ventilateur d'extraction est défaillant.

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5-

CIRCULATION DES FUMÉES DANS UNE CHAUDIERE Les conditions de circulation des fumées de la chambre peuvent être analysées en suivant la pression des gaz de de combustion à la cheminée Les évolutions de pression peuvent être représentées sur combustion le long de leur trajet. le diagramme de la page suivante . a - Tirage de la cheminée Evolution de la pression atmosphérique dans l'air autour de la cheminée Pour une hauteur de cheminée de 80 mètres et une masse volumique de l'air de 1,226 kg/m3 (correspondant à une température de l'air de 15 °C), la variation de pression atmosphérique entre le sol et le sommet de la cheminée est

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La pression atmosphérique au sommet de la cheminée est donc inférieure de celle s'exerçant au niveau du sol.

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" Evolution de la pression des fumées dans la cheminée Au sommet de la cheminée les fumées entrent dans l'atmosphère et sont soumises à la pression atmosphérique locale . La température des fumées étant de 160 °C, leur masse volumique est égale à 0,815 kg/m3. Sur la hauteur de 80 m de la cheminée la pression des fumées varie de

Au pied de la cheminée, la pression des fumées est de mm CE inférieure à la pression atmosphérique au sol. Cette différence de pression mesure le tirage de la cheminée .

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b - Évolution de la pression des fumées dans le registre et les surfaces d'échanges " Registre Le registre est un obstacle sur le trajet des fumées . II en résulte que les fumées doivent disposer avant de le franchir d'une pression supérieure à celle qui règne en pied de cheminée . La différence entre ces pressions mesure la perte de charge causée par le registre. L'importance de cette perte de charge dépend du débit de fumées qui le traverse ainsi que de son inclinaison . Les valeurs usuelles sont de l'ordre d'une trentaine de millimètres de colonne d'eau . La pression des fumées avant le registre est donc, par rapport à la pression atmosphérique, de mm CE. " Surfaces d'échange Les différentes surfaces d'échange de chaleur parcourues par les fumées provoquent également des pertes de charge dont les valeurs usuelles sont les suivantes échangeur air-fumées économiseur surchauffeur

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mm CE mm CE mm CE

Ces différentes ; pertes de charge dépendent évidemment de la taille des surfaces d'échange, de l'importance des dépôts de suie qui les recouvrent et obstruent la circulation, des débit de fumées qui les traversent liés à l'allure de production de la chaudière . Le cumul des pertes de charge conduit à une valeur de la pression des fumées dans la chambre de combustion égale à : mm CE.

c - Réglage de la pression dans la chambre de combustion Pour maintenir constante la pression dans la chambre de combustion il faut accompagner les variations des pertes de charge dans les zones d'échange par une variation opposée de la perte de charge provoquée par le registre. Ainsi par exemple, à une augmentation de l'allure de chauffe conduisant à un débit de fumée plus grand et à des pertes de charges plus élevées dans le surchauffeur, l'économiseur et l'échangeur air-fumées doit être opposée une ouverture du registre réduisant la perte de charge qu'il provoque .

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V - BRULEURS Les brûleurs ont pour rôles d'assurer le mélange intime du combustible (fuel-oil ou fuel-gaz) et de l'air, d'entretenir la combustion et d'assurer une forme de flamme correcte.

1 -

BRULEURS MIXTES Les brûleurs mixtes peuvent brûler séparément ou simultanément des combustibles liquides et gazeux a - Description d'un brûleur simple Les planches 6 et 7 en montrent des exemples . On distingue l'injection des combustibles La canne à fuel-oil située dans l'axe du brûleur et dans laquelle le fuel est dévidé en fines gouttelettes (atomisation) Les lances de gaz (au nombre de 6 ou 8) réparties à la périphérie du brûleur et alimentée par une couronne de distribution On trouve en outre, sur ce schéma, une torche pilote à gaz.

les admissions d'air La première au niveau de la canne à fuel permettant à la combustion du fuel-oil de commencer dès l'injection de celui-ci L'air admis à ce niveau ne présente qu'une faible partie de la quantité totale d'air nécessaire à la combustion . La seconde est réalisée autour de l'ouvreau secondaire et permet l'admission de l'air secondaire dont le débit assure la combustion complète des combustibles . Le débit d'air est réglable par recouvrement plus ou moins grand des lumières pratiquées dans les couronnes cylindriques qui équipent ces admissions d'air. les ouvreaux en réfractaire Porté au rouge par la combustion, ils assurent l'allumage du mélange aircombustible par la chaleur qu'ils rayonnent . En outre, de par leur géométrie, ils modèlent la forme de la flamme. Ib - Autres exemples La planche 8 montre un brûleur Pillard à forte capacité permise par l'admission d'air sous pression (400 mm CE) .

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II se distingue essentiellement, par rosace centrale" dont les aubages la présence au nez de la canne du fuel-oil, d'une "grande assurent une mise en rotation de favorisant le mélange air-combustible l'air qui les traverse, . Ce dispositif permet une un faible excès d'air . combustion complète avec

2 -

BRÛLEURS RADIANTS À GAZ Ce type de brûleur est utilisé en particulier sur les fours de vapocraquage brûleurs décrits précédemment par la . II se distingue des réalisation du mélange introduction dans le four. air-combustible avant son La planche n° 10 en montre un exemple sont admis le fuel-gaz au travers de la . II se compose d'un tube mélangeur dans lequel termine par une tête de distribution (en buse d'injection - et l'air primaire . Ce tube se cas) conduisant le mélange combustible àcéramique sur l'exemple ; en acier dans d'autres lécher l'ouvreau (ou gueulard) .

Le mélange air-combustible étant déjà réalisé, la combustion est immédiate et ne se développent pas dans le four. C'est les flammes le réfractaire chaud qui transmet la chaleur tubes du four. aux

3 -

ATOMISATION DU FUEL-OIL Différents systèmes d'atomisation du fuel-oil sont présentés sur les planches 7 et 10

VI - ANALYSEURS SUR LES FUMÉES L'oxygénemètre mesure la teneur en oxygène des fumées et informe sur l'excès d'air avec lequel est conduite la combustion. L'opacimètre indique la présence d'imbrûlés solides dans les fumées.

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Ces valeurs sont purement v indicatives. II est recommandé à l'utilisateur de se référer aux valeurs précises fournies par les constructeurs et de déterminer la viscosité du fuel utilisé .

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BRULEUR JOHN ZINK

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- Planche n° 7 -

BRULEUR PILLARD G .R.C. TYPE F .R.

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- Planche n° 8 -

SRULEUR RADIANT

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- Planche n° 9 -

29

- Planche n° 10 -

CANNE A FUEL PILLARD TYPE ZV2

1

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4 5 6 8 9

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2 3

Multibuse Emulseur

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RISQUES ET PRÉCAUTIONS LIÉS AU MATÉRIEL

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I

GROUPES FRIGORIFIQUES

- CONDENSATION ET ÉVAPORATION .. .. . . .- ... . . .. . ... .. . .. .. . . . .. . . .. . .. . .. .. . .. . .. .. . . . ... ... .. . .. . .. . . . . .. .. . .. .. . 1 123-

Passage de l'état liquide a l'état gazeux et réciproquement : La courbe de tension de vapeur . ..1 Chaleur nécessaire à tout changement d'état .. .. .. .-. ... . . ,.  ... .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. ... .. ... .  .. . .. .. . .. ... .3 Construction d'un cycle frigorifique . . ... . . ... .. . .. .. ... .. .. . . . ... . . .. . .. . .. .. . . . . . .. . .. .. . . . .. .. . .. . . .. .. ... .. ... .. .. . .. .. ... .. . .5

II - DIAGRAMMES DE MOLLIER .. . . . . . . . . . .. .. .., ., . . . .. . . . .. .. .. . . . .. . . . . . . . . . .. . . . .. . .. .. . . . . .. . . . .. . .. . . . . . . .. . . . .. . .. . .. . . .. . . 6 1 23-

Description du diagramme de Mollier . .. . . . .. . .. .. . .. .. .. . .. . . ... . .. .. . . . .. . . ... . . . . . . . ... .. ... ., .. . . . . ... .. . . . .. ... .. .. . .. .. . ..6 Tracé du cycle théorique dans le diagramme .. .. .. . .. .. . .. ... .. . .. .. ... .. .. ... .. . .. .. . .. .. . . . .. ... .. ... .. .. . . .. . . ... . . ... .8 Énergies échangées dans le cycle - Coefficient d'efficacité . . . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. . .. ... .. ..9

()8/11/2000 1 R6v. 9 2000 ENSPM Formation Industrie

I-

CONDENSATION ET ÉVAPORATION Les groupes frigorifiques sont composés d'un ensemble de matériels permettant de produire du froid, Ils peuvent être à compression ou à absorption, Seuls les groupes à compression seront étudiés dans ce document. Ils représentent la très grande majorité des équipements industriels de production de froid. Dans un groupe frigorifique à compression est véhiculé un produit appelé fluide frigorigène . Ce fluide suit un cycle qui le fait passer alternativement de l'état gazeux à l'état liquide,

PASSAGE DE L'ÉTAT LIQUIDE A L'ÉTAT GAZEUX ET RÉCIPROQUEMENT : La courbe de tension de vapeur La plupart des fluides frigorigènes sont des corps purs c'est-à-dire composés par des molécules identiques (par opposition aux mélanges composés de différents types de molécules) . Chaque corps pur possède une courbe de tension de vapeur ou courbe de vaporisation qui, tracée dans un diagramme pression-température, permet de déterminer -

l'état physique du corps en fonction des conditions de pression et de température dans lesquelles il se trouve Pression Courbe de tension de vapeur LIQUIDE Pression

H_P~

VAPEUR Température Température d'ébullition ou de condensation du corps pur sous la pression P

Cette courbe partage le plan du diagramme "pression - température" en deux zones : une zone où le corps pur existe à l'état liquide (au-dessus et à gauche de la courbe) et une zone où il se trouve à l'état vapeur (en dessous et à droite de la courbe). En pointant sur le diagramme les conditions de pression et de température dans lesquelles se trouve porté le corps, il est possible de déterminer s'il est à l'état gazeux ou à l'état liquide, en regardant dans quelle zone se trouve le point représentatif (des exemples de courbes de tension de vapeur sont donnés sur la planche 1) . la température d'ébullition à une pression déterminée P : en effet, si on élève la température d'un corps pur liquide à pression constante, on constate que le changement d'état physique se produit à une température fixe appelée température d'ébullition . Cette température d'ébullition dépend de la pression . Si la pression considérée est la pression atmosphérique normale (P = 1,013 bar), la température est dite température d'ébullition normale . Le corps pur liquide à sa température d'ébullition est dit liquide saturé . Le corps pur vapeur à la même température est dit vapeur saturée

© 2000 ENSPM Formation Industrie

COURBE DE TENSION DE VAPEUR

1,013 bar (pression atmosphérique normale)

ETAT GAZEUX ou VAPEUR Température (°C) Température d' ébullition normale

Température d'ébullition

la tension de vapeur du corps pur liquide est la pression exercée par la vapeur en équilibre avec le liquide à une température déterminée . C'est donc la pression qui règne dans tout récipient dans lequel le corps pur se trouve présent simultanément à l'état liquide et à l'état gazeux .

tension = de vapeur du liquide

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2-

CHALEUR NÉCESSAIRE A TOUT CHANGEMENT D'ÉTAT a - Chaleur sensible, chaleur latente En partant des conditions pression/température où le fluide est liquide (par exemple 1 bar abs et -40°C pour du R 134a), apporter de la chaleur provoque une montée de la température, jusqu'à atteindre la température d'ébullition (- 26°C sous cette pression) . La chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 °C est appelée chaleur sensible (ramenée à 1 kg de produit) . Lorsque la température d'ébullition est atteinte, il faut encore chauffer pour que le liquide se transforme en vapeur bien que la température reste inchangée pendant le changement d'état (- 26°C sous 1 bar abs ., - 10°C sous 2 bars). La chaleur nécessaire pour vaporiser 1 kg de liquide s'appelle "chaleur latente" . On peut de la même façon réchauffer la vapeur après vaporisation . La chaleur donnée à la vapeur lui permet d'élever sa température, On retrouve alors un phénomène de chaleur sensible . Exemple À pression atmosphérique, pour le fluide frigorigène R 134a, il faut environ ; -

1,3 kJ (kilocalorie) pour élever de 1 °C, 1 kg de liquide 0,8 kJ pour élever de 1 °C, 1 kg de vapeur 220 kJ pour vaporiser 1 kg de liquide (cette valeur diminue si P et T augmentent)

- 40

État liquide

-30

-26 Apparition de is l ère bulle de vapeur

-26

Liquide + vapeur

Disparition de la dernière goutte de liquide

Vapeur surchaufée

Vapeur saturée

Liquide saturé Échauffement du liquide chaleur sensible -1,3 k,J/kg .K

Vapeur

Liquide + vapeur

Liquide

Vaporisation du liquide chaleur latente 220 kJ/kg.K

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Échauffement de la vapeur chaleur sensible =_ 0,8 kJ/kg .K

Application aux fluides frigorigènes Les fluides les plus couramment rencontrés dans les groupes de froid sont les fluides fluocarbonés, dits CFC ou HCFC : fréons ou foranes (noms de marque), désignés par des symboles normalisés comme R11, R12, R22, R114, R13, R502, . .. les nouveaux fluides de remplacement, dits HFC, dont le R 314a, ou certains HCFC, tel le R 123 l'ammoniac NI-13, dénommé R 717 par les frigoristes les hydrocarbures tels que propane, propylène, éthylène, . . . des fluides liés au procédé comme le gaz carbonique C02, le chlore CI2, . . . En fonction de la température souhaitée du fluide à refroidir on choisit le fluide frigorigène le mieux approprié sachant évidemment que le fluide à refroidir ne peut en aucun cas être plus froid que la température de vaporisation et qu'il est préférable de ne pas mettre l'évaporateur sous vide, C'est ainsi que l'on trouve différentes familles de fluides frigorigènes selon leur température de vaporisation à la pression atmosphérique autour de - 80°C et -100°C : R 23, R 13, R 14, éthylène autour de - 40°C et - 20°C : R 22, R 500, R 502, R 12, NH3, chlorure de méthyle, propane, R 134a autour de 0°C : R 114, R 12131, R 21, butane, R 123 Un autre aspect du choix d'un fluide frigorigène est sa chaleur latente de vaporisation car elle permet de comparer pour un même débit masse de fluide la quantité de froid possible à produire .

I

Volume massique à Patm I et Tébul M3/kg

Fluide frigorigène

Chaleur latente de vaporisation à Patm kJ/kg

R 12

165

0,16

7,7

R 22

233

0,22

12

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1368

1,2

12

R 123

174

0,16

1,1

220

0,19

7,9

R 134a -

Pression de condensation à 30°C bar abs .

Remarque sur les unités paramètre du Dans les applications frigorifiques la quantité de chaleur échangée à l'évaporateur est lerefroidir . On a à en froid au fluide que le groupe fournit choix de l'équipement . Elle correspond à ce l'habitude de donner à l'unité d'énergie de froid le nom de frigorie . 1 frigorie (fg) = -1 kcal L'unité légale est le joule 4,18 joule =1 calorie ou

1 fg =-1 kcal =-4,18 kJ

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3-

CONSTRUCTION D'UN CYCLE FRIGORIFIQUE L'évaporateur se trouve, en général, à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique de façon à fournir le maximum de froid mais sans risquer l'introduction d'air si l'on était sous vide . Le condenseur a sa pression fixée par la température de condensation du fluide . La phase gazeuse est aspirée de l'évaporateur pour être envoyée dans le condenseur dont la pression est toujours plus élevée . L'écart de pression nécessite l'utilisation d'un compresseur soumis au rapport : pression condenseur sur pression évaporateur . La compression augmentant la température du gaz, le refoulement se trouve donc à une température supérieure à celle d'aspiration . II est indispensable du reste que la température de sortie du compresseur soit supérieure à la température du fluide de refroidissement passant dans le condenseur. Cette condition est toujours réalisée avec les fluides frigorigènes . La phase liquide passe du condenseur vers l'évaporateur. Une détente dans une vanne permet ainsi la chute pression (équivalente à l'augmentation de pression du compresseur aux pertes de charge près). Cette détente s'accompagne d'une transformation partielle du liquide en gaz, et d'une diminution de la température du fluide . II n' y a ni apport , ni retrait de chaleur dans la vanne : c'est une détente isenthalpique,

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COMPRESSEUR

Te Fluide à refroidir

-

W

Fluide

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ÉVAPORATEUR

Tc

106

CONDENSEUR

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Vanne de détente

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II -

DIAGRAMMES DE MOLLIER Les différents phénomènes physiques rencontrés dans un cycle frigorifique ne peuvent pas être quantifiés sans des formules et des données chiffrées complexes . On préfère utiliser un diagramme thermodynamique dans la mesure où le fluide utilisé est bien connu .

1 -

DESCRIPTION DU DIAGRAMME DE MOLLIER Un diagramme de Mollier fournit un certain nombre d'informations sur le fluide à partir de la connaissance d'un état donné par deux mesures (par exemple la pression et la température) . C'est ainsi que peuvent être déterminées entre autres le volume massique, la chaleur contenue dans le fluide, les différentes évolutions dont nous avons parlé (isentropique, polytropique, isenthalpique) . fi -

Zones délimitées par le diagramme de Mollier

Ce diagramme représente l'état du fluide en fonction de la pression et de son énergie (enthalpie) . Le diagramme est séparé en 3 zones qui représentent les différents états du fluide : liquide, gaz et mélange liquide-gaz . 00

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Les lignes qui séparent ces zones correspondent à la saturation : à gauche liquide saturé c'est-à-dire sans gaz ; à droite gaz saturé c'est-à-dire sans liquide . Un très faible apport de chaleur ferait apparaître des bulles dans le liquide saturé inversement une très faible perte de chaleur condenserait quelques gouttes de gaz . On aurait alors une certaine proportion de liquide dans le mélange allant de 100 % sur la courbe de liquide saturé, à 0 % sur la courbe de vapeur saturée, © 2000 ENSPM Formation Industrie

b - Température et enthalpie La température est représentée sur des isothermes Sur l'échelle horizontale est représentée l'enthalpie (en kcal/kg ou en I<J/kg) . L'enthalpie représente l'énergie que possède le fluide. Chauffer le liquide revient à augmenter son enthalpie . Lorsqu'on prend le fluide à la pression Pa et à la température Tl et qu'on le chauffe jusqu'à T3 on passe par différentes phases :(voir diagramme page suivante) en 1 : température Tl, état liquide sous-refroidi de 1 à 2 : état liquide, augmentation de la température du liquide de Tt à Te en 2 : apparition de la première bulle de vapeur à Te (Tébullition) de 2 à 4 : la température reste la même (Te) mais la proportion de vapeur dans l'enceinte augmente en 4 : disparition de la dernière goutte de liquide de 4 à 5 : état gazeux, augmentation de la température du gaz de Te à T3 . 1.

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La différence entre H5 et H1 correspond à l'énergie qu'il a fallu fournir au fluide pour le faire passer de l'état (1) à l'état (5), donc à la différence d'enthalpie entre les états finaux et initiaux, © 2000 ENSPM Formation Industrie

2-

TRACÉ DU CYCLE THÉORIQUE DANS LE DIAGRAMME Tr

COMPRESS Te

1wril Fluide de refroidissement eau ou air

Fluide à refroidir

ITA Tc

ÉVAPORATEUR CONDENSEUR Vanne de détente

Point 1 (voir diagramme page suivante) Pression et température de condensation . Dans le condenseur, la condensation est totale. Le point 1 se trouve sur la courbe 100 % liquide (liquide saturé) . Point 2 Après détente dans la vanne les conditions sont celles de la pression Pa mais avec la même enthalpie que (1) . Le point 2 se trouve dans la zone du diagramme où l'on trouve un mélange gaz-liquide . II y a donc formation de bulles de gaz dans la vanne. Point 3 La vaporisation se fait à la pression Pa. Elle va jusqu'à la transformation totale du liquide en gaz (vapeur saturée) . Le point 3 correspond aux conditions d'aspiration du compresseur . Point 4 Conditions de refoulement du compresseur dépendant de la machine . On a considéré ici une évolution isentropique .

- ®-2000 ENSPM Formation Industrie

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3-

ÉNERGIES ÉCHANGÉES DANS LE CYCLE - COEFFICIENT D'EFFICACITÉ On peut, sur le diagramme, lire les valeurs d'énergie mise en oeuvre à chaque phase du cycle. La compression à fourni au gaz La condensation a enlevé au fluide frigorigène La vaporisation a fourni au fluide frigorigène

Hcomp. = H4 - H3 Hcond . = H4 - Hl Hévap. = H3 - Hl

La quantité d'énergie Hévap. correspond aussi à celle enlevée au fluide à refroidir. Cette énergie correspond à celle pour laquelle l'installation a été étudiée. Les frigoristes ont l'habitude de comparer le froid produit à l'énergie consommée par le compresseur . Le rapport de ces cieux quantités étant supérieur à un, le terme "rendement" ne peut pas être employé, il est appelé coefficient de performance Heyap. COP = Hcomp 9 2000 ENSPM Formation Industrie

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Risques et Précautions liés au Matériel

FORMATION INDUSTRIE

MATÉRIEL THERMIQUE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

GROUPES FRIGORIFIQUES

Application

- MAINTIEN DE LA PRESSION DANS UNE SPHÈRE Le maintien des conditions de stockage d'une sphère de 1000 m3 contenant du f0 p~ par le système de condensation des vapeurs représenté sur le schéma ci-dessous .

5°C

est assurée

15°C

eau 1031

40°C

On néglige les pertes de charge : dans le système. Surface exposée au soleil : 240 m2 Énergie solaire reçue en été : 5 KWh/m2 /jour Chaleur latente de vaporisation du c® 1 - Quel doit être le débit de la pompe pour éviter que la sphère ne monte en pression ?

2 - Quel doit être le débit d'eau glycolée ?

26/6/1995

©1995 ENSPM Formation Industrie

Rev. 1

FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

Risques et précautions liés au matériel

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MATÉRIEL THERMIQUE GROUPES FRIGORIFIQUES

1 -

Compléter le schéma du groupe frigorifique YORK ci-joint.

2-

Étude du fonctionnement d'un cycle frigorifique au R22.

Application

- Préciser sur le schéma ci-dessous les conditions de fonctionnement manquantes .

Pression en atm. abs.

Température en °C

- Situer les points 1, 2, 3, 4, 5 sur le diagramme enthaipique du R22 ci-joint . - Quelle est la fraction massique vaporisée après la vanne de détente ?

30/1/1995 © 1995 ENSPM-Formation Industrie

D Application

- Quelles sont les énergies fournies ou échangées 0 - à la compression : l, S ~.

- au condenseur

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Quelle est 1 effiCELcite frigorifique du cycle

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La machine devant assurer la production de ~® s'établir dans le circuit ?

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© 1995 ENSPM-Formation Industrie

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FORMATION INDUSTRIE

Application

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GROUPE FRIGORIFIQUE YORK

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Pressure

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Risques et précautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

CHARGEMENT ET DÉCHARGEMENT DES HYDROCARBURES LIQUÉFIÉS ET LIQUIDES

Ingénieurs en sécurité Industrielle

TRANSPORT TERRESTRE DES MATIÈRES DANGEREUSES

I-

RÉGLEMENTATION ... ... .. . .. . ... .. . .. ... .. . .. . .. ... .. ... . .. .. . ... .. . .. . .. ... ... . .. .. . .. ... 2 -

Équipement des véhicules .... ..... .. .. .. ........ .. ......... ..... .

... . .. ... . .. . .. ... . .. . .. . ... . .. ... . .. ... .1

... ..... ..... ..... .... . .... . .... ..... .... . .... ..... .. ...... ...... .......... ..

II - CLASSES DES MATIÈRES DANGEREUSES . ... . .. .,.,.. . ... .  .. ... 1 2 3 -

. .3 Classe des matières .. . .... ...... .... ..... ... .. ..... ........ .. ..... ..... .. .. ..... ..... . . . . . ......... ..... ......... .. ... ....... ..... .,.. . ... .... ....... . Chiffre et lettre d'énumération .... . ..... ..... ... ............ . . ... .... . .... ..... ......... . ..... .... ... ........... ..... ............. ... ........ . . . 3 Interdiction de chargement en commun .. ...... .......... ... ... . .. 6 .. .... . .... . .... ..... ..... .... ..... . .... .... . .... .... . ........ ..... ... ..... ... . .... 7

DOCUMENTS DE BORD . .. .. . ... . .. ... . . . ... .. . .. ... .. . .. ... ... . .. ... .. . .. .. . . .. .. . ... . . ... . .. ... . .. . .

1 2 3 4 5 6 7

IV V-

-

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. ... . .. . .. .... . . . ... . .. . .. ..8

Agrément .. ........... ..... .. .. . .... . .... ... ....... ..... .... . ..... . .... ..... ........ .......... . ..... .... . .. ....... ....... . . ........ . ... .,.. . ....... . .... ....... 8 Déclaration de chargement . .. ....... .... . .... . .... ........... . .. .. ..... ....... .. ......... . ... . . .... ......... ......... ...... . . . ... ........ ... .. ..... .. 8 Fiche de sécurité ...... ... ... .... ... . ...... ... . . ................. ....... .... .... . ..... .......... ... ............... ..... .... ..... .. .. .... ........ ... . .... .... 8 Certificat ADR .....:. .... .... . .......... ................. ............ ..... .... . . . . . ..... ..... .... ..... .......... .... ..... .... .... ... ..... ..... ... ..... ..... .. 8 Certificat de nettoyage .... ........ .... . ...... .... ..... .......... .. ... . ... ..... ..... .... . . ... ..... ..... ... . . .... ..... .... .... ......... ... . ........ ..... .. 9 Certificat d'épreuve de la citerne .... . ............... ..... ..... .... .... .... . .......... . .... .. ... ......... .... ... . . ............ ..... .... .... ..... . ... 9 Certificat de jaugeage pour les camions-citernes .. ........ . .. ..,...,. .,...,.  ,.,... . ... .... ..., .. ., . .,. . . . .11

CERTIFICAT DE FORMATION . ... . . . .. ... ... ..... . . . ... ... .. . .. ... . .. . .. ... ... ... .. . .. .. . . .. . .. ... ... . . . . ... .. . ... . . . ... . .. . 12 SIGNALISATION DES VÉHICULES ... . . . .. ... ... . .. .. . .. . .. . .. . .. ... ... .. . .. ... . .. ... ... . .. ... ... ... ... . .. . .. . ... ... . .. . . 12

1 2 -

Étiquette danger . . . ....... ..... .... ..... . ......... .... ..... ... .. .. ......... ........ ..... ......... ...... ...... ... .... ..... ............ Étiquette de manutention . . .... .... ..... ..... ............... ..... ..... . . ... .... . .... ..... ..... .... . .... ..... .... ... . . . ........ .... .... .... .12 ..... ... . ....... . .... .. . . .... ....13

VI - OBLIGATIONS DU TRANSPORTEUR ET DU CHARGEUR .. ... .. .,. ...,.., ., ...  , . 17 VII - RÈGLES DE CIRCULATION . . .. ... ... . . . .. ... . .. ... .. . .. ... ... . . . ... ... .. . .. ... ... . .. .. . .. . ... ... .. . ... .. . .. . . .. .... .. . .. . . .. 19 VIII - RÈGLES DE STATIONNEMENT .. .. . .. . .. ... ... .. . .. ... ... .. . . . ... . .. . .. .. . ... ... .. . .. . ... .. . .. ... . .. . .. . ... ... .. . . .. . .. . . . 20 IX -

TAUX DE REMPLISSAGE ... .. . .. . ... .. ... ... ..... ... . . . .. ... . .. . .. ... . .. . .. ... ... ... .. . .. ... . .. . . . ... . .. . . . . ... .. . ... . .. ... . .. 20 1 2 -

X-

Valeur maximale du taux de remplissage .......... ..... .... . ......... ..... .. .. ..... ..... ..... .... . .... ........ ..... .. ...... ..... ... ..... ....21 Valeur minimale du taux de remplissage .. .............. .... . .... .... . . .... ......... ..... ... .. .... . ........ .... ..... ........ ..... ... ..... ....22

CHARGE MAXIMALE AUTORISÉE ... .. . .. . .. ... .. . .. . . . ... ... . . . .. . ... .. . .. ... ... ... ... ... ... .. . .. . ... .. . ... . .. ... . .. . ... 23 Ce document comporte 31 pages

1

31/5/1995 1 Révision 0 © 1995 ENSPM Formation Industrie

I-

RÉI3LEMENTATION Le transport des matières dangereuses est soumis à des dispositions réglementaires très précises en matière de sécurité. Mais la diversité des produits transportés, des dangers qu'ils présentent, de leur conditionnement, conduit à une réglementation complexe et en évolution constante. 1 -

GÉNÉRALITÉS " Le règlement du 15 Avril 1945 Les transports intérieurs de matières dangereuses doivent respecter la réglementation du 15 Avril 1945 "Règlement pour le transport par chemin de fer, par voie de terre et par voie de navigation intérieure des matières dangereuses (RTMD)", devenu le RTMDR depuis le 1 er Janvier 1993.

Le RTMDR ne s'applique qu'aux transports intérieurs français et au trajet national des transports internationaux non régis par l'ADR ou le RID. RID : Règlement international concernant le transport des marchandises dangereuses par chemin de fer ADR : Accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par route.

" D'autres textes complètent cette réglementation, notamment Le code de la route

- sur les prescriptions relatives aux visites techniques de véhicule les interdictions de circulation Des textes particuliers l'élimination des déchets le marquage et la détention des produits explosifs le contrôle des matières nucléaires etc .. .

2 - ÉQUIPEMENT DES VÉHICULES DESTINÉS AU TRANSPORT DE GAZ INFLAMMABLES ET DE LIQUIDES INFLAMMABLES a - Moteur de propulsion Les véhicules destinés au transport de liquides inflammables (sauf ceux destinés au transport et à l'épandage des goudrons et bitumes de point d'éclair inférieur ou égal à 100 °C) dont le poids total autorisé en charge est supérieur à 3,5 tonnes, ainsi que les véhicules destinés au transport de gaz inflammables, doivent obligatoirement être équipés d'un moteur Diesel . Le tuyau d'évacuation des gaz d'échappement ne soit pas pouvoir entraîner un échauffement du réservoir et des conduites ; son extrémité doit se trouver aussi loin que possible des vannes de la citerne. Les gaz d'échappement ne doivent pas pouvoir être projetés sur le réservoir à carburant du véhicule . L'échappement doit être muni d'un pare-étincelles amovible .

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b - Moteurs auxiliaires Les moteurs auxiliaires thermiques à allumage commandé sont interdits . Lorsqu'ils sont électriques, les moteurs auxiliaires doivent répondre aux prescriptions du décret n° 78-779 du 17 Juillet 1978 . Lorsqu'ils sont de type Diesel, ils sont soumis aux mêmes caractéristiques que le moteur de propulsion et doivent comporter les aménagements suivants - un démarreur qui satisfasse lorsqu'il est électrique aux normes EN 60 014 et EN 60 020 - une cloison située du côté du réservoir et des conduites - une large aération

c - Accessoires de bord La présence à bord d'instruments à flamme, de dispositifs d'allumage par incandescence, de dispositifs témoins à filament résistant à l'air libre et d'accessoires de fumeur est interdite . d - Dispositif destiné à éviter l'emballement du moteur Pour éviter l'emballement du moteur en cas de fonctionnement en atmosphère accidentellement carburée, le véhicule doit être muni d'une commande spéciale . Cette commande spéciale doit permettre l'interruption de l'injection de carburant à l'aide d'un dispositif efficace . Sauf en cas de pilotage électronique de l'injection, cette commande doit être non électrique . Simultanément, elle doit permettre, soit la fermeture de l'aspiration de l'air, soit l'obturation de l'échappement . e - Commandes de sécurité Les véhicules à moteur destinés au transport de gaz ou liquides inflammables doivent obligatoirement comporter les commandes de sécurité suivantes au poste de conduite -

une commande d'ouverture du coupe-batterie une commande à deux positions stables, marche et sécurité, du dispositif destiné à éviter l'emballement du moteur prévu ci-dessus

- du côté des vannes, accessible aisément du sol, situé à l'extérieur de la cabine, un dispositif de commande unique entraînant simultanément l'ouverture du coupe-batterie et la commande du dispositif destiné à éviter l'emballement du moteur f - Liaison équipotentielle Les véhicules de distribution doivent être munis d'un câble conducteur permettant une liaison équipotentielle lors des opérations de transfert.

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II -

CLASSES DES MATIÈRES DANGEREUSES 1-

CLASSE DES MATIÈRES D'après le RTMDR les matières dangereuses sont réparties en 13 classes en fonction de leurs caractéristiques . Classe 1

Matières et objets explosibles

Classe limitative

Classe 2

Gaz comprimés, liquéfiés ou dissous sous pression

Classe limitative

Classe 3

Matières liquides inflammables

Classe non limitative

Classe 4.1

Matières solides inflammables

Classe non limitative

Classe 4.2

Matières sujettes à l'inflammation spontanée

Classe non limitative

Classe 4.3

Matières qui, au contact de l'eau, dégagent des gaz inflammables

Classe non limitative

Classe 5.1

Matières comburantes

Classe non limitative

Classe 5.2

Peroxydes organiques

Classe non limitative

Classe 6.1

Matières toxiques

Classe non limitative

Classe 6.2

Matières répugnantes ou susceptibles de produire une infection

Classe limitative

Classe 7

Matières radioactives

Classe limitative

Classe 8

Matières corrosives

Classe non limitative

Classe 9

Matières et objets dangereux divers

Classe non limitative

Sont considérées comme matières de la classe 2, celles qui ont une température critique < à 50°C ou à 50°C une TV > à 300 kPa (abs) (3 B abs) . Sont considérées comme matières liquides inflammables, classe 3, les matières inflammables qui à 50°C ont une TV <_ 3 B abs et un point éclair :9 à 100°C. Sont considérées comme matières radioactives, classe 7, les matières dont l'activité est > 70 K Bq/kg.

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Explication des figures N°1 :

N°1 .4 :

sujet à l'explosion 1 .1 : risque d'explosion en masse 1 .2 : risque de projection sous explosion en masse 1 .3 : risque d'incendie et légère projection sujet à l'explosion 1 .4 : danger mineur en cas de mise à feu pendant le transport

N°1 .5 :

sujet à l'explosion

N°01 :

1 .5 : matières peu sensibles à l'explosion, probabilité d'amorçage faible danger d'explosion

N02 :

gaz non inflammable et non toxique

N°3 :

danger de feu (matières liquides inflammables)

N°4.1 :

danger de feu (matières solides inflammables)

N°4 .2 :

matière sujette à inflammation spontanée

N°4.3 :

danger d'émanation de gaz inflammable au contact de l'eau

N°5 .1 :

matière comburante

N°5 .2 :

peroxyde organique ; danger incendie

N°05 :

danger d'activation d'incendie

N°6 .1 :

matière toxique, à tenir isolée des données alimentaires

N°6.1 A : matière nocive ; à tenir isolée des denrées alimentaires N°6.2 :

matières infectes ou putrescibles, colis à tenir éloignés des denrées alimentaires

N°7 A :

matière radioactive, dans des colis de la catégorie 1 - blanche. En cas d'avarie, danger pour la santé

N°7 B :

matière radioactive dans des colis de la catégorie II - jaune. En cas d'avarie, risque d'irradiation à distance

N°7 C :

matière radioactive dans des colis de la catégorie III -jaune

N°7 D :

matière radioactive présentant les dangers 7A, 7B, 7C

N°8 :

matière corrosive

N°9 :

matières et objets divers présentant un danger autre

N°10 :

craint l'humidité

N°11 :

haut, respecter la position

N°12 :

fragile, à manier avec précaution

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2-

CHIFFRE ET LETTRE D'ÉNUMÉRATION Les matières ayant plusieurs caractéristiques de danger ainsi que les mélanges dont plusieurs composants sont soumis à réglementation doivent être rangés sous un chiffre, une lettre de la classe pertinente . Exemple : classe 3 lettre a) lettre b) lettre c)

matières très dangereuses matières dangereuses matières présentant un degré de danger mineur

Classement de matières inflammables et toxiques

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3-

INTERDICTION DE CHARGEMENT EN COMMUN Pour des raisons de sécurité, il est interdit de charger en commun, dans un même véhicule ou un même container, certaines matières dangereuses de classes différentes .

citernes

Les transports alternés, dans une même citerne ou simultanés, dans des compartiments séparés, de matières dangereuses et de denrées alimentaires sont rigoureusement interdits . Les interdictions sont matérialisées en gris (voir tableau ci-après).

N'S .2i N'S .2+N 07 : N 6 .t ;N'6 .1A N'6 .2

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N')q 1 B000'

III - DOCUMENTS DE BORD 1-

AGRÉMENT Les véhicules citernes, semi-remorques citernes, porte-citernes démontables doivent être agréés et détenir un "certificat d'agrément" (récemment encore appelé "carte jaune") qui doit se trouver à bord des véhicules (Planche 1) . Cet agrément est accordé pour un an et renouvelable après une visite technique annuelle spéciale effectuée par les directions régionales de l'industrie et de l'environnement (DRIRE), encore souvent appelées sous leur ancienne dénomination : services des Mines, qui vont contrôler la conformité du véhicule à des prescriptions techniques assez contraignantes . Depuis le ier Juillet 1993, ces véhicules doivent être équipés, en plus, d'un dispositif antiblocage de roues (ABR) et d'un système de freinage d'endurance. Cet agrément n'est pas transmissible en cas de cession de véhicule .

2-

DÉCLARATION DE CHARGEMENT Instaurée depuis le ter Janvier 1976, elle accompagne obligatoirement tout transport de matière dangereuse . Cette déclaration comporte obligatoirement

- l'indication apparente "déclaration de chargement de matière dangereuse" - le nom de la matière suivi de son numéro de groupe (code identification danger) - l'attestation que les prescriptions du règlement ont été respectées La déclaration d'expédition ferroviaire tient lieu de déclaration de chargement . Les expéditeurs de déchets de produits dangereux sont dispensés d'établir une déclaration de chargement, le bordereau de suivi de déchets en tenant lieu . II existe des déclarations permanentes et des déclarations délivrées lors de chaque transport.

3-

FICHE DE SÉCURITÉ Le transport des matières dangereuses donne lieu à la remise, par l'expéditeur, de "fiche de sécurité". Ces fiches précisent la nature du danger et les mesures à prendre les dispositions à prendre et les soins à donner en cas de contact avec le produit les mesures à prendre en cas d'incendie et en particulier les moyens d'extinction à ne pas employer les mesures à prendre en cas d'épandage dans l'eau ou sur le sol ou en cas de diffusion dans l'air La fiche de sécurité est affichée dans la cabine de conduite . Un exemple de fiche de sécurité est donné Planche 2.

4-

CERTIFICAT ADR Le certificat ADR pour le transport international (Planche 3) . Valable également pour le RTMDR.

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5-

CERTIFICAT DE NETTOYAGE Le certificat de nettoyage, à moins que le nouveau chargement ne soit composé de la même matière dangereuse que celle qui a constitué le chargement précédent.

6-

CERTIFICAT D'ÉPREUVE DE LA CITERNE

a - Citernes métalliques

Visite et épreuve initiales de citernes " Visite initiale des citernes A la diligence du constructeur, en présence d'un expert agréé par le Ministre, la visite comprend un examen intérieur et extérieur du réservoir un essai d'étanchéité, la citerne remplie d'eau un contrôle du bon état des accessoires et de leur conformité Épreuve initiale des réservoirs Si Ps supérieure à 4 bar : l'épreuve sera conforme à la réglementation des appareils à pression . Si Ps inférieure ou égale à 4 bar : l'épreuve hydraulique sera effectuée en présence d'un expert agréé par le Ministre . Visites et épreuves périodiques Les citernes sont soumises aux visites et épreuves périodiques suivantes - visite Code de la Route - visite matière dangereuse - visites et épreuves périodiques des citernes Si Ps supérieure à 4 bar : les visites et épreuves sont conformes à la réglementation des appareils à pression . Si Ps inférieure ou égale à 4 bar : les visites et épreuves sont réalisées dans les mêmes conditions que les visites et épreuves initiales à intervalles n'excédant pas quatre ans dans lé cas général . L'épreuve n'est exigée que si l'essai d'étanchéité n'est pas satisfaisant . D'autres périodicités sont fixées en fonction de la matière transportée gaz liquéfiés réfrigérés de la division C (classe 2) : 6 ans sodium (classe 4.3) : 8 ans matières toxiques du groupe 41 101 a (classe 6.9) : 2 ans anhydride sulfurique (classe 8) : 3 ans brome (classe 8) : 1 an

b - Citernes en matière plastique Visite et épreuve initiales " Visite initiale des citernes A la diligence du constructeur, en présence d'un expert agréé par le Ministre, la visite comprend

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10

un contrôle visuel des défauts des parois un contrôle de conformité des assemblages des mesures de dureté des parois une mesure de conductibilité électrique un essai d'étanchéité, la citerne remplie d'eau un contrôle du bon état des accessoires et de leur conformité - Épreuve initiate des réservoirs Identique aux citernes métalliques . Visites et épreuves périodiques Identique aux citernes métalliques, c - Conteneurs " Utilisés pour le transport des matières solides à l'état fondu, liquides ou gazeuses et ayant une capacité supérieure à 450 litres. Visites et épreuves Ps inférieure ou égale à 4 bar : les visites sont effectuées par un expert agréé par le Ministre. Ps supérieure à 4 bar : les épreuves sont conformes à la réglementation des appareils à pression . Visites et contrôles périodiques Le propriétaire du conteneur doit présenter pour examen à un expert agréé par le Ministre chaque conteneur après trente mois de service, ou après toute transformation ou réparation notable. Si le conteneur concerné transporte alternativement plusieurs matières, ce délai est réduit à quinze mois. L'expert agréé procède à un examen visuel la vérification du bon état des joints un essai de levage un essai d'étanchéité - Utilisés pour le transport des liquides dont la TV à 50 °C est au plus égale à 1,3 bar et des matières solides (pulvérulent ou granulaire), de capacité comprise entre 250 et 3000 litres. Visites et contrôles périodiques Le propriétaire doit présenter pour examen à un expert agréé par le Ministre chaque conteneur tous les trente mois de service ou après transformation ou réparation notable. L'expert agréé procède à un examen visuel inférieur et extérieur la vérification du bon état des joints un essai de levage un essai d'étanchéité la mesure des épaisseurs des parois la vérification de la continuité du revêtement anti-corrosif interne, le cas échéant

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d - Wagon-citerne agréé par la SNCF Visites et épreuves Ps inférieure ou égale à 4 bar : les visites et épreuves sont effectuées par un expert agréé par le Ministre . Ps supérieure à 4 bar : les épreuves sont conformes à la réglementation des appareils à pression .

Contrôle initial Avant la mise en service, il comprend une vérification des caractéristiques de construction un examen de l'état intérieur et extérieur une épreuve de pression hydraulique une vérification du bon fonctionnement des équipements éventuellement, des essais d'étanchéité après montage des équipements

Contrôle périodique A intervalles n'excédant pas huit ans, l'expert agréé procède à - l'examen de l'état intérieur et extérieur - l'épreuve de pression hydraulique A intervalles n'excédant pas cinq ans, à - l'essai d'étanchéité - la vérification du bon fonctionnement de tout l'équipement En cas de réparation, modification ou incident, un contrôle exceptionnel est conduit dans les conditions des contrôles périodiques . D'autres périodicités sont fixées en fonction de la matière transportée certains gaz comprimés liquéfiés ou dissous sous pression (classe 2) : 5 ans liquides cryogéniques (classe 2, division C) essais de fonctionnement des soupapes 1 an aluminium alkyles (classe 4 .2) : 4 ans matières toxiques du groupe 61 121 a (classe 6 .1) : 4 ans anhydride sulfurique stabilisée (classe 8) : 4 ans brome (classe 8) :1 an

7-

CERTIFICAT DE JAUGEAGE POUR LES CAMIONS-CITERNES (Planches 4 et 5)

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IV -

CERTIFICAT DE FORMATION (Planche 6) Depuis le décret du 15 Mars 1979, tous les conducteurs de véhicules transportant des matières dangereuses doivent être titulaires d'un "certificat de formation" ou "certificat de capacité de conducteur" . Cette formation porte sur différentes spécialisations . La durée de validité de ce certificat est de 4 ou 5 ans selon les spécialisations . " Spécialisation n° 1 : transport de matières et objets explosibles (classe 1). " Spécialisation n° 2 : transport de gaz (classe 2) en véhicules-citernes ou en unités de transport transportant des citernes ou des conteneurs-citernes, d'un poids maximal autorisé supérieur à 3,5 tonnes . " Spécialisation n° 3 : transport de liquides inflammables (classe 3) en véhicules-citernes ou en unités de transport transportant des citernes ou des conteneurs-citernes, d'un poids maximal autorisé supérieur à 3,5 tonnes . - Spécialisation n° 4 : transport, en véhicules-citernes ou en unités de transport transportant des citernes ou des conteneurs-citernes, d'un poids maximal autorisé supérieur à 3,5 tonnes de matières des classes 4.1, 4.2, 4.3, 5.1, 5 .2, 6.1, 8 et 9 (autres que les produits chauds) . " Spécialisation n° 7 : transport de matières radioactives (classe 7). - Spécialisation n° 9 : transport des matières à haute température relevant de la classe 9 et effectué dans des véhicules dont le poids maximal autorisé dépasse 3,5 tonnes . Cette formation comprend un stage de base d'une durée minimale de 40 heures (fractionnable) et de stages de recyclage d'une durée minimale de 24 heures . L'attestation de formation fait partie des documents de bord exigibles en cas de contrôle routier.

V-

SIGNALISATION DES VÉHICULES (terre et voies ferrées) Cette signalisation est double et est destinée à identifier la nature du ou des dangers présentés par la marchandise attirer l'attention de tous les intervenants en cours de transport et de manutention sur les précautions à prendre d'où deux sortes d'étiquettes .

1 -

ÉTIQUETTE DANGER Ces étiquettes, sur les camions-citernes, doivent être fixées à l'arrière et sur les côtés latéraux à "un emplacement convenable qui les rendra bien visibles" . Sur les wagons-citernes, elles doivent être placées sur chaque paroi latérale extérieure. La Planche 7, en annexe, indique les différents types d'étiquettes "danger" utilisées .

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ÉTIQUETTE DE MANUTENTION (panneau orange rétroréfléchissant)

2-

a - Véhicules citernes (camions, wagons, transport fluviaux) "

Une seule matière / un seul danger

Code d'identification danger

orange

"

du

numéro d'identification de la matière transportée

Plusieurs matières / un seul ou plusieurs dangers

Lorsque plusieurs produits sont ,-ansr)orés dans les compartiments d'un véhicule citerne et présentent des dangers différents -

un panneau orange sans numéro est placé à l'arrière et à l'avant du véhicule un panneau orange sans numéro de code danger et le numéro de code matière est fixé à la droite de chaque compartiment et de chaque côté

-

une plaque étiquette de danger est fixée pour chaque produit sur son compartiment

-

une plaque etiquette se rapportant à chacun des dangers est fixée sur l'arrière de la citerne

Plusieurs matières / un seul danger

14

" Plusieurs matières / plusieurs dangers

b - Véhicules autres tue véhicules citernes Transportant des matières dangereuses sous emballage (panneau orange sans numéro) .

range c - Utilisation du panneau orange " II est obligatoire pour tous transports de matière dangereuses et doit porter les inscriptions réglementaires, sauf si le chargement est hétérogène, clans ce cas . il est vierge et chaque cuve porte une plaque réglementaire. " Un panneau orange est apposé à l'avant et à l'arrière du véhicule . Une citerne vide mais non nettoyée doit porter les panneaux oranges concernant le produit véhiculé. " Une citerne nettoyée colt avoir les panneaux oranges enlevés . Cas de déchets Le code danger doit v être porté, mais la partie identification matière peut être remplacée par la mention déchets" .

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15

d - Interprétation du panneau orange " Code danger

X précédant le N° Eau prohibée comme agent d'extinction

ler chiffre redoublé Intensification du danger principal sauf` as des gaz réfrigérés (22)

L

SOLIDES INFLAMMABLES LIQUIDES INFLAMMABLES

CDMBURANTS OU PEROXYDES MATI-----------E ERES TOXIQUES

GAZ

MATIERES RADIOACTIVES

MATIERES EXPLOSIBLES

MATIERES CORROSIVES

ABSENCE DE DANGER SECONDAIRE

[

DANGER DE REACTION VIOLENTE

code Produit Le code de danger comporte des numéros de deux ou trois chiffres, chaque chiffre de ces numéros ayant une signification précise. Le premier chiffre est doublé pour souligner une intensité accrue du danger (sauf pour les gaz réfrigérés : 22).

20

gaz ni inflammable, ni toxique

23

i

60

matière toxique

gaz inflammable

62

matière toxique pouvant dégager des gaz

30

liquide inflammable (point d'éclair> 21 °C

66

matière toxique très dangereuse

33

liquide très inflammable (point d'éclair< 21 °C)

6:i

liquide corrosif et inflammable

336

liquide très inflammable et toxique

86

38

liquide inflammable corrosif

X 423 solides dégageant des gaz inflammables au contact de l'eau

I

~?

-i

matière corrosive et toxique

La lettre X précède le numéro lorsque l'eau est prohibée comme moyen d'extinction

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" Code produit ou numéro d'identification de la matière Chaque produit est affecté d'un numéro à 4 chiffres permettant de l'identifier suivant une liste établie parla C.E.E. Exemple : 1203 Tous les produits pétroliers suivant le Point Éclair -

pour les pétroles bruts 55 °C
- pour les autres produits pétroliers légers (essences - white spirit . . .) 21 'C < PE <_ 55 '>C. Application Identification des panneaux oranges suivants

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VI -

OBLIGATIONS DU TRANSPORTEUR ET DU CHARGEUR Transport en citerne

Expéditions en véhicules-citernes et conteneurs-citernes II appartient au responsable de tout établissement qui effectue le chargement de matières dangereuses, de veiller à ce que le transporteur, soit, lorsqu'il est requis, titulaire du certificat d'assurance de la qualité pour le transport de ces matières dangereuses

le conducteur soit titulaire du certificat de formation requis le matériel réponde aux dispositions réglementaires en vérifiant que l'unité de transport est munie de son (ses) certificat(s) d'agrément en cours de validité le certificat d'agrément de la citerne autorise le transport du produit à charger l'unité de transport soit munie de ses extincteurs, des équipements divers prévus et du matériel de première intervention nécessité par le produit à transporter l'unité de transport soit signalisée et étiquetée conformément au présent règlement la citerne ait été, si besoin est, convenablement nettoyée et/ou dégazée En cas de contrôle négatif d'un des éléments ci-dessus et s'il ne peut pas être mis en conformité, le véhicule doit être refusé. II appartient en outre au responsable de tout établissement qui effectue le chargement de veiller à ce que le personnel habilité au chargement ait été formé l'affichage des consignes relatives aux opérations de chargement ait été effectué les consignes de chargement soient respectées II appartient au responsable de tout établissement qui effectue le déchargement des matières dangereuses de veiller à ce que le personnel habilité au déchargement ait été formé l'affichage des consignes relatives aux opérations de déchargement ait été effectué les consignes de déchargement soient respectées Après le chargement, comme après le déchargement : l'établissement chargeur, le transporteur et l'établissement destinataire, chacun en ce qui le concerne, doit vérifier que tous les dispositifs de fermeture sont étanches et en position fermée . " Chargement de véhicules-citernes effectué dans des établissements disposant d'installations automatiques Le donneur d'ordre doit s'assurer que le transporteur est bien titulaire, s'il est requis, du certificat d'assurance de la qualité pour le transport des matières dangereuses envisagé . II appartient en outre au responsable de l'établissement où s'effectue le chargement de veiller à ce que -

le conducteur ait été formé à l'opération de chargement l'affichage des consignes relatives aux opérations de chargement ait été effectué

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II appartient au transporteur qui effectue le chargement de veiller à ce que le conducteur soit titulaire du certificat de formation requis le matériel réponde aux dispositions réglementaires exigées pour le transport du produit à transporter l'unité de transport soit signalisée et étiquetée conformément au présent règlement la citerne ait été, si besoin est, convenablement nettoyée et/ou dégazée En cas de non observation d'un des éléments ci-dessus et d'impossibilité de se mettre en conformité, le chargement ne doit pas être effectué. Le conducteur doit respecter les consignes relatives aux opérations de chargement. Après le chargement, le conducteur devra vérifier que les dispositifs de fermeture de la citerne sont en position fermés et étanche . " Transport international Les obligations faites au chargeur, au transporteur et au destinataire s'imposent également dans le cas d'un transport international pour autant qu'elles se rapportent à des prescriptions exigées par l'ADR . " Nettoyage après le déchargement Après le déchargement d'un véhicule ayant reçu un chargement de matières dangereuses sous emballages, si l'on constate que ceux-ci ont laissé échapper une partie de leur contenu, on doit, dès que possible et en tout cas avant tout nouveau chargement, nettoyer le véhicule. Les véhicules ayant reçus un chargement en vrac de matières dangereuses doivent, avant tout rechargement, être convenablement nettoyés, à moins que le nouveau chargement ne soit composé de la même matière dangereuse que celle qui a constitué le chargement précédent . Toutes les prescriptions de la présente annexe relatives au nettoyage et à la décontamination des véhicules s'appliquent aussi au nettoyage et à la décontamination des conteneurs. Mesure à prendre pour éviter l'accumulation de charges électriques Lorsqu'il s'agit de matières ayant un point d'éclair égal ou inférieur à 55°C, une bonne connexion électrique entre le châssis du véhicule et la terre doit être réalisée avant le remplissage ou la vidange des citernes . En outre, la vitesse de remplissage sera limitée .

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VII - RÈGLES DE CIRCULATION La circulation des véhicules transportant des matières dangereuses est interdite sur l'ensemble du territoire français les samedis et veilles de jours fériés à partir de 12 heures, jusqu'aux dimanches et jours fériés à 24 heures . Vitesses à respecter Pour les véhicules matières dangereuses PTAC inférieur à 10 t : vitesses imposées à tous les véhicules légers 90, 110, 130 km/h . PTAC supérieur à 10 t - autoroutes : 80 km/h - routes : 60 km/h (2 disques à l'arrière du véhicule) - agglomération : 50 km/h Intervalles entre 2 véhicules Matières dangereuses 75 m (transports de marchandises 50 m). Restrictions de circulation Matières dangereuses II est interdit de circuler du samedi (ou veille de jour férié) 12 h au dimanche (ou jour férié) 24 h. Des dérogations existent pour certaines catégories de transport matières dangereuses, hydrocarbures, .. .

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VIII - RÈGLES DE STATIONNEMENT Obligatoire dans les parcs réservés Autorisé, hors des parcs, sur les emplacements publics, pour les repas et dans le respect des heures de conduite conditions 1 . pancarte derrière le pare-brise, lisible de l'extérieur, avec nom, adresse, téléphone du lieu où se trouve le conducteur 2. circuits électriques coupés 3. sur un espace libre approprié distances 10 m de tout immeuble si stationnement de nuit 50 m de tout immeuble si stationnement supérieur ou égal à 12 h (de jour comme de nuit)

IX -

TAUX

DE

REMPLISSAGE

II existe des particularités d'application selon les classes . Cette législation est très complexe . Le réservoir ne doit en aucun cas, sous l'influence de la température ni déborder ni voir son étanchéité compromise par la pression Le chargement de la citerne ne doit pas aggraver le phénomène de force centrifuge qui tend, en virage, à éjecter le véhicule de sa trajectoire.

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21

1 -

VALEUR MAXIMALE DU TAUX DE REMPLISSAGE II doit toujours subsister un espace libre permettant que les variations de volume de la phase liquide dues aux variations de température en cours de transport puissent s'exercer sans compromettre l'étanchéité de la citerne. Liquides (ADR/RID) Degré de remplissage 1 + a (50 - tF) % de la capacité Dans cette formule a représente le coefficient moyen de dilatation cubique du liquide entre 15 °C et 50 °C, c'est-à-dire pour une variation maximale de température de 35 °C . (x est calculé d'après la formule

d 15 - d 50 35 x d 50

d 15 et d 50 étant les densités relatives du liquide à 15 °C et 50 °C, la tF la température moyenne du liquide au moment du remplissage . Réservoirs pourvus d'un dispositif de sécurité

Inflammables sans risque secondaire . ... .. .. ......... ... .. ..... .. ..... .. .. ..... .. ..... .. .. .. .. ..... . K = 100 Toxiques, corrosifs, inflammables ou non ..... .. ..... .... . .... .. ..... ....... .. ..... .. .... . . .. ..... .. .. K = 98 Réservoirs hermétiques sans dispositif de sécurité

Inflammables, nocifs ou corrosifs mineurs inflammables ou non... .. ..... .. ...... . ...... . Très toxiques et toxiques, très corrosifs et corrosifs, inflammables ou non. .. ...... .

K = 97 K = 95

Application Quel est le volume maxi à charger dans un wagon de méthanol de 40, rr3 ? Température de chargement : 40 °C (Planche 7). 1) K =

2) Calcul de a

3) Degré de remplissage

4) Volume à changer

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du volume du wagon

22

2-

VALEUR MINIMALE DU TAUX DE REMPLISSAGE A moins d'être complètement vide, il y a également lieu de respecter un degré de remplissage MINIMUM afin d'assurer la stabilité du matériel . Ce degré de remplissage est fonction du volume Vs des sections délimitées par des cloisons ou des brise-flots Conteneurs-citernes

1 >_ 80 % si Vs > 5 000 I .

Véhicules-citernes

t >_ 80 % si 7 500 < Vs < 17 000 1.

Wagons-citernes

t >_ 89 % si Vs > 17 000 I. t >_ 50 % (exigence SNCF pour tous liquides même non dangereux)

N .B . :

Pour les gaz comprimés, liquéfiés ou dissous, la réglementation est particulière, mais il doit

être indiqué de façon indélébile l'indication de la pression maximale de remplissage à 15 °C . Pour les gaz liquéfiés réfrigérés, d'autres règles existent .

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X-

CHARGE MAXIMALE AUTORISÉE Les essieux La charge maximale est fixée à 13 T. par essieu, sauf pour l'essieu arrière (si le véhicule est équipé d'un ralentisseur) où elle peut être majorée de 400 kg . Si le véhicule comporte plus de deux essieux : pour deux essieux consécutifs, la charge de l'essieu le plus chargée ne doit jamais dépasser, en fonction de fa distance entre essieu , de

0,90 m : 7,350 T. 1,35 m : 10,500T., etc . .. A chaque augmentation de 5 cm entre essieux consécutifs, (sans dépasser 45 cm), peut correspondre un accroissement de 350 kg de la charge maximale .

N.B . : les essieux relevables sont considérés comme des essieux fixes.

P.T.A.C. et P.T.R. Le poids total autorisé en charge (P .T .A .C .) d'un véhicule ne doit pas dépasser -

19 tonnes pour un véhicule à deux essieux 26 tonnes pour un véhicule à trois essieux ou plus

Le poids total roulant (P .T.R .) autorisé est de 38 tonnes 40 tonnes 44 tonnes route-voie

si l'ensemble ne comporte pas plus de quatre essieux s'il comporte cinq essieux ou plus s'il comporte cinq essieux ou plus et exécute un transport combine rail-route ou navigable

D'autre part, le P .T .A .C . ne doit pas dépasser cinq tonnes par mètre linéaire entre les essieux extrêmes, ceci pour protéger la charge moyenne au mètre pour les tabliers de ponts soumis à circulation intense.

4 ESSIEUX

PLUS DE 4 ESSIEUX

9

1995 ENSPM-Formation Industrie

(modèle en vigueur as 1r janvier 1990) L'original comporte une diagonale rose

(l'original comporte une diagonale rose) 7. Valable jusqu'au -

Cachet du service émetteur i: Date : Signature

8. Validité prolongée jusqu'au

Cachet du service émetteur

CERTIFICAT D'AGRÉMENT POUR LES AHICULES TRANSPORTANT CERTAINES MARCHANDISES DANGEREUSES 1. CERTIFICAT N"

A .D .R. L..1.J

I_l._J

Attestant que le véhicule designé ci-après remplit les conditions requises par l'Accord européen relatif au transport international de nurchandises dangereuses par route (ADR) pour étre admis au transport international de marchandises dangereuses par la route.

Date Signature

9 . Validité prolongée jusqu'au

Cachet du service émetteur à: Date Signature

10 . Validité prolongée jusq'au

Cachet du service émetteur i: Date Signature :

11 . Validité prolongée jusqu'au

Cachet du service émetteur à: Date Signature

2. Fabricant et type de véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . Numéro d'immatriculation (le cas échéant) et numéro de chassis

. . . . . . .. . . . . . . ... . . . . . .. . .

4 . Nom et siège d'exploitation du transporteur, utilisateur ou propriétaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Le véhicule décrit ci-dessus a subi les inspections prévues au marginal 10 282 de l'annexe a à l'ADR et remplit Les conditions requises pour être admis su transport international par route de marchandises dangereuses des classes, chiffres et lettres ci-après (si nécessaire, indiquer le nom ou le numéro d'identification de la matière) : 6. Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

décembre 1993 . Les anciens modèles de certificat peuvent être utilisés jusqu'au 31

i:

NOTA l . Tout véhicule doit faire l'objet d'un certificat distinct à moins qu'il ne soit autrement stipulé, par exemple pour la classe I . 2 . Cc certificat doit être restitué au service émetteur lorsque le véhicule est retiré de la circulation, en cas de changement du transporteur, utilisateur ou propriétaire indiqué dans la rubrique 4, i l'expiration de la durée de validité et en cas de changement notable des caractéristiques essentielles du véhicule .

Ç.n,r,"halan la rnlrdsldrtenh r1u L.oaPa,g Je . mallér
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Parucullé" e aux uaasporls d'hydrocuhuras (APpendlc< N' 9, ynayrophe LLLh do adylaraeal do IS avril 19 .51

PIAOUE-ÉTIQUETTE SYMUOLEDEDANGER

NATURE DES DAN~ - LIQUIDE TUES INFLAMMl11l F .

- Risque d'explosion nies vapeurs en mélange avec l'air en Présence de : Ilanulm, Point chaud, dtincclie . - Risque d'explosion du réservoir en cas d'échauffement. - nlsq»Ers dinilnuon " pour I es yeux et les n» Iqueuses . s i cumacl avec le Ilqulde ou 51 Ill ;rlr,lioll i)rU11LlIJé daEls les voyeurs : " Pet" le peau si c0olaci (nulongé avec le Ilqulde. - IIisIItIR Ed'actllpl E,a,CUIIf1,r0 A foire c"Demi,;ltipll de V .PCtI,a . - Ilisuuc d'Intir Icatinn par Inhalalinll prolongée et P., Ingestion.

CONSIGNES G EN ERALES

1--

5e garer Il .ra Ilas agglarl,éralian9 . 2, - Arréler leu$ risques de feu : Inoleur, circuits éleclritples, cigarettes .. . J. - Elnigl,er les curieux et signaler )e danger, 4, - Faire prévenir gendarmerie " police e1 sapeurs-pong,lers .

EN CAS D'ACCIDENT

ou

D'INCIDENT

5. - Faire établir .eu cas de laite, un cordon de sécurité .

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C0NDUI7Ë7 1~. Ellt IA' .

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- Arréler la fuite, cri évitaEN si possible lout conlacl avec la peau et les verenwnl9,

- Ne provoquer ai Ilanu»e, ni étincelle .

1

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C

- ATTENTION A LA POLLUTION (EAUX-SOLS) : - Endiguer le produit qui ne doil pas élre enylorté vers les égouts . vers des Plans d'eau . nappe phréatique, des habitations et des culnnes . Recueilli, le produit.

J

-

FUÎTE ou ÉPANDAGE

- NE PAS UTILISER D'EAU con,um agent d'extinction . -

- EX IlNCTEURS a MOUSSE . : liALOCENES,

INCENDIE

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--~

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SECOURISME

Pouone

à C02 et

HYDROCARBURES

- Lorsqu'il est exposé au leu. refroidir le réservoir 1 l'eau pulvérisée . - A1nellef 111 viclillie hors de la mie iilllltiêe, Tenir ail telles . - Enlever les Vélel  Crlls et les CIIalI55lIrC5 souillés . - En fias de )uoleclions oculaires ou cutanées : laver abondanunent a l'eau pendant au moins 15 n,inules . - En cils de luidures coltinées 11.1, le leu : alliés extinction. Protéger la ?elle brûlée pa r un p,nscnmnl déifie, - En cas de trouilles de la conscience : P.L .S . Ipositiun latérale de sécu,cté) et aSsisl"IC. venlilaloir0- En cas de troubles ventil .loires : ventilation anillcielle (méthodes orales au Inshun,cnt .les). paire appel i des SECOURS MÉDICALISES .

-

EIABLISS[MENl [xPFDI7CUn

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fCRMAF7ENTT.

'

LE CODE 79/1207 S'AppLIOUE AUX MATIERES SUIVANTES ; gr~ERES"IRxnsPexD1 CADE w i..nidnaw on "' ( MATIEf1E' DENOMINATIONS MATIERES ,170 Alcool elhyllque et I ., solullOna aqueuse . comonent plue de 70 Na d'alcool 1170 Alcooldthyliqu. en aolullvn equeu,e d'une
c

ADR/RTMDR

en citernes (1)

autrement qu'en citernes (1)

F

Certificat iN 03676 Signe distinctif de l'Etal délivrant le certificat Valable pour la ou les classes (1) (2) En citernes Autrement qu'en citernes GPL

Jusqu'au (3) 27 .09 .1998 saut produite chaude

Délivré par : Cggp Date : 25 .08 .1993 Signature (4)

Date : Signature (4) :

Aux fins de la réglementation nationale seule Additif à la page 1 valable pour la classe 9 (produits chat jusqu'au (3) Additif à la page 3 validité étendue à la classe 9 (produits cha Valable jusqu'au : ,--------- . -_ . Date Signature (4) eo citernes .

goïm o

Renouvelé jusqu'au Par Date Signature (4)

MM . Y

e

ft) Biffer ce qui ne convient pas. (2) Pour l'extension de la validité à d'culre* classes, voir la paçe3. 13j Pour le renouvellement de la validité, voir la page 2. opération. de transfert .

VALIDITE ETENDUE A LA CLASSE OU AU X CLASSES (1) En citernes Valable jusqu'au :

Nom S Prénom(s) : Date de naissance : .04 . 1948 Nationalité : FRANCAISE Signature du titulaire

Certificat de Formation polir les conducteurs de véhicules 24 transportant des marchandises dangereuses

rr rr r 1

(4) Et timbre de l'autorité «livrent le certificat,

r rr ro r

autremeril qu'en crimes

L-------------

27

- Planche 4 -

OIRECT'ION REGIONALE DE L'INDUSTRIE ET DE LA RECHERCHE REGION PROVENCE ALPES COTE D'AZUR -0-0-0-0-0-0CERTIFICAT DE JAUGEAGE NUMERO C90-029 AIX EN PCE LIMITE DE VALIDITE : 20/02/1994 DESCRIPTION

: CITERNE NUMERO 199048/5 IMMATRICULEE 950005

,

,

TOUTE MODIFICATION DU RESERVOIR ANNULE CE CERTIFICAT ET DOIT ETRE SIGNALEE . PRODUIT TRANSPORTE

: PETROLIERS

RAISON SOCIALE DU DETENTEUR : SERVICE DES ESSENCES DES ARMEES ADRESSE DU DETENTEUR

~ R)~~

: CASERNE DE REUILLY - 75011 PARIS

RAISON SOCIALE CONSTRUCTEUR : TRAILOR S .A . ADRESSE DU CONSTRUCTEUR

JAUGES

MATERIEL D'EPALEMENT RESULTATS

: USINE DE LUNEVILLE - 54300 LUNEVILLE

. - LA TABLE DES VOLUMES DONNE LES VOLUMES EN - LES HAUTEURS SONT RELEVEES LE LONG DE LA VERTICALE DE PIGE . - LES VOLUMES SONT VALABLES A 20 DEGRES CELSIUS . - L'ERREUR RELATIVE SUR LES VOLUMES INDIQUES DANS LE CERTIFICAT ET SES ANNEXES N'EXCEDE PAS 2/1000 EN PLUS OU EN MOINS . - CE RESERVOIR NE PEUT SERVIR DE RECIPIENT-MESURE QU'APRES AVOIR ETE INSTALLE DANS SA POSITION DE REFERENCE A PLUS OU MOINS 2 POUR CENT PRES .

OBSERVATIONS EVENTUELLES : JAUGEAGE AVEC TRACTEUR IMMATRICULE 9930013 DE MARQUE UNIC FAIT A AIX EN PROVENCE LE 20/02/1990 TECHNICIEN DE L'INDUSTRIE ET DES MINES

n

1445 FNSPM-Formation Industrie

28

- Planche 5 -

PAGE 1/1 ANNEXE 1 AU CERTIFICAT DE JAUGEAGE : C90-029 AIX EN PCE TABLE DES VOLUMES MESURES PAR LE CREUX . COMPARTIMENT 01UNIQUE HAUTEURS DE 0 .100 A 0 .390 METRES HAUTEURS

VOLUMES

}SAUTEURS 0 .340 0 .350 0 .360 0 .370 0 .380 0 .390

0 .100 0 .110 0 .120 0 .130 0 .140 0 .150 0 .160 0 .170 0 .180 0 .190 0 .200 0 .210 0 .220 0 .230 0 .2£0 0 .250 0 .260 0 .270 0 .280 0 .290 0 .300 0 .310 0 .320 0 .330

VOLUMES

HAUTEURS

VOLUMES

33 .394 33 .263 33 .133 33 .000 32 .865 32 .728

35 .866 35 .800 35 .733 35 .664 35 .591 35 .516 35 .436 35 .353 35 .266 35 .176 35 .084 34 .989 34 .893 34 .795 34_596 34 .597 34 .497 34 .363 34 .220 34 .079 33 .938 33 .799 33 .662 33 .527 .

36 .198 1 .953 VOLUME TOTAL : HAUTEUR TOTALE TEMOIN : 0 .370 33 .000 HAUTEUR CORRESPONDANTE : VOLUME NOMINAL : DEGRE DE REMPLISSAGE CLRRESPONDANT AU VOLUME NOMINAL : 91 .2 $ LES HAUTEUR- SONT EXPRIMEES EN METP ~! S . LES VOLUMES S :jNT EXPRIMES EN METRES CUBES . LE 20/02/1990 FAIT A AIX EN PROVENCE TECHNICIEN DE L~~USTRIE ET DES MINES RUOLS RENE

à

(C~ 1995 ENSPM-Formation Industrie

29

- Planche

EXTENSION de VALIDITÉ

6-

TRANSPORTS de MATIÈRES DANGEREUSES (Réghment du 15 avril 19(5 - article 32)

SPÉCIALISATION N°

TRANSpoR'r DE . . .... ... . . .. ....

ATTESTATION de FORMATION

Par :. . . ..... . . . . organisme agréé par arrêté du Ministre des Transport& en date du . .. .. . . . .. . . . . . .. .

Délivrée à

.: VALIDITÉ .

DATE LIMITE de

PROROGATIONS

organisme agréé par arrêté du Ministre des Transports en date du . . ... . .

No

© 1995 ENSPM-Formation Industrie

Cw1et d< l'orF- agrii Sags..- d. trap-Ne

30 O - Planche 7 -

VARIATION DE LA DENSITÉ DE QUELQUES LIQUIDES AVEC LA TEMPÉRATURE

Nom Acétaldehvde Acétate de butyle Acétate d'éthyle Acétone Acide acétique Acide formique Acrylonitrile Anhydride acétique Benzène n-butane Butane isobutane Chlore (Iiquidel Chlorobenzène Chloroforme Chlorure de méthyle Chlorure de méthylène Chlorure de vinyle Cyclohexane Diethylène glycol Eau lourde Ethanol Ethylène glycol Formaldehyde Fréon 22 Furfural Glycérine Méthanol Mercure Nitrobenz ène Oxyde c'éthylène Propane (iliquide) Souffre fondu Styrène Tetrachl . d e carbo ne Toluene Trichlorethylène Urée (fondue) m-xvlène xylène o-oxylène p-xylène

Densité d Formule

-80 0 C I -60 0 C I-400C 1 20 0 C I O o C 1200C 400C 60'C 80 0 C 1100 0 C I150 o CI200 0 C 1 1 C2H40 1 I0,78 C6H i 202 ~ 0, 7 82 ~ C4 H80? 1 10,901 1 1 CÏH60 0,855 10,832 10,811 10,791 10,765 j0,74 1 1 C2 H402 1 ,049 1 ,028 1,003 10,98 J 0,96 1 CH202 11,221 J 1,192 ~ 1,169 C3H3N 1 1 l 0,806 1 1 C4H603 1 1 1 1 11 ,082 C6H6 1 10,879 0,858 0,836 10,815 0,793I0,731 10,661 1 10,674 10,658 0,640 10,621 ~0,601 0,579 0,555 10,528 0,500 0,468 C4Hio 1 10,50510,58410,55910,53410,5051 1 1 C12 1,571 1,522 11,448 j 1 ,41 1 1 ,348 11,279 f -1,2O3 ~ 1, 1 13 C6 H s CI 11,13 1 ' 108 ~ l ,087 11,065 11,04 11,02 Ï O,96 I, 0,896 CHU13 1 1,64 11,60 11,56 1 1,52 l 1,48 11,43 11,440 11,36 1,32 11,21 11,06 CH3C1 11,101 11,067 1 ,031 10997 0,960 10,921 0,881 10,837 10,790 ~ 0,733 CH2 C! 2 p,49 (l ,455 il ,42 ~ 1,385 11,35 1,318Tî,28-i1,248 11,212 11,175 11,06 l0,90 C2H3C1 1,06 11,03 11,00 10,975 10,945 10,915 10,88 10,845 10,80 0,745 10,51 C6Hi2 1 10,78 10,76 10,74 10,72 1 1 C4 H i o (D 3 1 1 1 11,135 1 ,122 11,107 11,091 11,075 1 1 ' 06 1 ,02 D20 1 11 ,1 05 1,105 11,10 11,09 l1,07 11,04 10,99 10,957 1 C2H60 0,85510,83510,82 10,806 0,789 0,76510,74510,73610,71610,64510,50 c2H602 1 1 J1,127 1 1,113 11,098 11,083 11 .069 11,054 11,017 10,974 CH20 0,8151 1 1 1 1 1 1 CHCI F2 11,512 11,465 11,411 11 ,350 11 285 11,213 J1,133 1 1 1 1 C5H402 1 11,16 1 1 1 1 1 C3Hs03 1 1,17 11,132 11 ,253 11,251 I1 ,237 (1 ,224 1,21 CH40 0,880 10,862 0,845 0,827 0,81010,7921,0,774 10,755 10,736 0,714 10,646 10,553 Hg 1 113,64 113,60 13,55 13,501 1 1 1 1 C6 Hs N02 ( 1 11,203 11,182 I 1,163 11,142 11,122 j 1,071 1 l'018 CI H40 1 0,95 10,92 0,891 0,864 10,834 10,804 10,78 10,75 10,63 C3Hs 0,624 10,503 10,579 (0,556 10,530 10,502 0,469 10,433 1 1 S 1 1 1 11,80 11,78 11,76 1 1 CSH8 1 10,9071 1 1 1 1 1 1 CCI 4 11,67 11,63 11 ,585 11,545 J1,505 11,4e 11,42 11 ,31 11,18 1 C71-18 ~0,960 10,942 10,923 l0,905 10,886 0,868 10,849 10,830 10,811 10,791 10,739 0,679 C2 HC13 J1,60 11,57 1l,535 11,50 l1,465 11,43 j l ,395 11,35 11,33 11 .24 1,13 CH4 1'\1 20 1 11,335 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 10,885 10,866 10,851 10 .833 10,814 10,793 10 .738 10,68 Ca H i o 1 1 1 , 0,91 0,881 10,865 10,846 10,83 10,812 10,754 10,708 1 1 1 1 0,861 10,84 10,823 10,805 0,786 10,738 0,682

I

I

© 1995 ENSPM-Formation Industrie

Enspm FORMATION INDUSTRIIE

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I

-

Risques et Précautions liés au Matériel CHARGEMENT ET DÉCHARGEMENT DES HYDROCARBURES LIQUÉFIÉS ET LIQUIDES CONFIGURATION DES SYSTÉMFS r)F rHARrPnhUrr . . .. . ..', ? . . .d3XF
'

.

...

TECHNIQUE DE CHARGEMENT DES CITERNES . .. . .. . . . .. . . .. .. . .. . .. . .. . .. . . . . . .. .. . .. . . . . .. . . . . ._ . .. .. . .. .. . . 1 1 - Modes de remplissage . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . . . ... .. .. ... .. .. . .. .. ... .. .. . .. .. ... . . . .. ... .. .. . .. .. .. . .. .. ... . . .. .. . .. .. .. ... .. .. . .. .. . ..1 2 - Évolution de la réglementation . . .. . .. .. . . . .. .. .- . ... .. .. . .. .. . . . . . . . . .. .. . .. .. ... .. .. . .. .. .. . . .. .. .. ... .. .. . .. .. .. .. . .. .. . . . .. . . . .. . .2

II

-

CONFIGURATION DES ÎLOTS DE CHARGEMENTS - RÔLES DES ÉQUIPEMENTS .. . .. .. . .. . 5 1 - Configuration des îlots .. ... . . . .. .. . .. .. ... ..... ..... .. ..., . .. . . . .. . . . . . .. . . . .. .. ... .. .. .. . . ... . . .. .. . . . .. .. .. . .. .. .. . .. .. ... .. .. ... .. ... . . .5 2 - Rôle des équipements ... .. .. . .. ... .. .. . .. ... .. ..... . . . .. .. ... .. ... .. .. .. . .. .. . . ... .. .. .. .. ... .. .. . . . .. .. .. .. . .. .. ... . . . . ... .. ... .. .. ... .. .7

r © 2000 ENSPM Formation Industrie

13/11/2000

I-

TECHNIQUE DE CHARGEMENT DES CITERNES 1-

MODES DE REMPLISSAGE Deux modes de remplissage peuvent être envisagés - le remplissage par le haut de la citerne : chargement en dôme - le remplissage par le bas de la citerne : chargement en source

e, Vapeur évacuée par le trou d'homme

¢

N N Q W

Chargement en dôme d'un camion-citerne

0

Vapeur évacuée par la soupape de respiration

a Î

ILI

`I -

A110 W,

I

lif£k1,li1:I~Mm

N 0 W 0

Chargement en source d'un camion-citerne (sans système de récupération de vapeur)

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Le chargement en source présente les avantages suivants meilleur respect de l'environnement : des solutions existent pour récupérer toutes les vapeurs émises à la fois lors du chargement et du déchargement

temps de chargement plus faible : débit autorisé de brancher simultanément plusieurs équipementsplus important et surtout possibilité de chargement en source pour remplir les différents compartiments d'une citerne

intervention de l'opérateur limitée : un détecteur de niveau se trouve sur le camion, l'analyse du signal émis par ce détecteur déclenche des systèmes de réduction de vitesse et d'arrêt par action sur les vannes et sur les pompes

- sécurité accrue pour l'opérateur : celui-ci ne travaille plus en hauteur et n'est plus exposé à l'inhalation des vapeurs durant la surveillance du remplissage Le passage d'un mode de remplissage dôme à un mode de remplissage source entraîne un coût supplémentaire pour l'équipement spécifique de la citerne d'une part et pour l'îlot de chargement d'autre part . Le chargement en source est utilisé depuis longtemps sur le Jet A1 pour minimiser les problèmes dus à l'électricité statique et aux pollutions par l'eau. 2-

ÉVOLUTION DE LA RÉGLEMENTATION a - Objectifs La lutte contre les émissions de composés organiques volatils (COV), a dans un premier temps, cherché à réduire les émissions présentes dans les gaz d'échappement, par l'installation catalytique . de pot Une deuxième étape (Directive 94/63/CE du 20/10/94 et Arrêtés des 8 et 19/12/95) vise l'ensemble la chaîne pétrolière des raffineries et dépôts aux de stations-service, y compris les citernes de transport (camions-citernes, conteneurs, wagons et bateaux).

Elle ne concerne que les carburants automobile à forte volatilité : essence-auto, supercarburant et supercarburant sans plomb.

L'objectif est de "fermer le système" (stockage, transport et distribution) en empêchant les s'échapper et en les ramenant aux terminaux vapeurs de de chargement où elles sont recondensées réservoirs mobiles doivent donc . Les conserver les vapeurs qu'ils génèrent au chargement

ou au déchargement récupérer les vapeurs des réservoirs des stations-service et ramener le tout au terminal de chargement où des unités de récupération ne doivent pas laisser s'échapper plus de 35 g/rn 3 pour une heure pouvoir être chargé en source

Les stations-service doivent de plus récupérer les vapeurs émises lors du remplissage réservoirs automobiles. de b - Principe de la récupération des vapeurs

La citerne mobile est équipée de deux branchements correspondants à la phase liquide et à la phase vapeur du carburant.

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Au chargement dans le dépôt La citerne renvoi la phase gazeuse dans l'unité de récupération de vapeur du dépôt (VRU).

Vers unité de récupération i~ des vapeurs (VRU)

liquide

Chargement en source du camion avec récupération des vapeurs Au dépotage à la station-service La phase vapeur contenue dans les cuves enterrées de la station-service sont récupérées par la citerne mobile puis transférer dans le dépôt lors du chargement suivant . Le transport des hydrocarbures se trouve ainsi réalisé en circuit fermé et évite les émanations de vapeur dues aux différentes manipulations nécessaires . Évent d'aération taré pression/dépression

s w Bras liquide

Nip %w Bras vapeur

Tuyauterie de remplissage

Cuve de stockage enterrée

N 0

Dépotage dans la cuve de stockage de la station service avec récupération des vapeurs

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" Au remplissage du réservoir d'un véhicule La phase vapeur évacuée du réservoir du véhicule est récupérée dans la cuve de la station-service .

Flexible coaxial vapeurs-liquide Borne de distribution

Pistolet de chargement avec récupération des vapeurs

Système de comptage Pompe

Cuve de stockage enterrée

Remplissage d'un réservoir automobile avec récupération des vapeurs

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Évent d'aération taré pression/dépression

II -

CONFIGURATION DES ÎLOTS DE CHARGEMENTS - RÔLES DES ÉQUIPEMENTS 1-

CONFIGURATION DES ÎLOTS Quel que soit le mode de chargement choisi, la configuration générale adoptée sur les îlots de chargement est identique et les équipements semblables.

A partir d'une configuration de base et selon les produits chargés ou le mode de chargement, certains accessoires peuvent être

supprimés du fait de leur inutilité : ensemble de mesurage sur les produits noirs (c'est la pesée du camion qui fourni la quantité chargée)

ajouté pour parfaire la sécurité : vanne de sécurité, vanne de régulation, prédéterminateur (pour automatiser le chargement)

remplacé : la vanne d'autorisation peut être remplacée par une vanne petit débit grand débit (cette vanne garde tout de même son rôle de sécurité)

Clapet taré muni d'une soupape casse vide Vanne homme mort

Indicateur N .u

_ .

_

de é il 1

mise à la't terre I l

Filtre dégazeur

Prbdéterminateur

[~II

Robinet limiteur de pression

Îlot de chargement en dôme © 2000 ENSPM Formation Industrie

Bouteille antipulsatoire

W 0

10

SOUPAPE DE SÉCURITE

ROBINET LIMITEUR DE PR ESSION

0

ENSEMBLE DE COMPTAGE

VANNE D'AUTORISATION

LIMITEUR DE DÉBIT 1~9

VANNE "HOMME MORT" 10 ÉQUIPEMENT MONTÉ SUR LE BRAS DE CHARGEMENT EN DÔME

COUPLEUR API LIQUIDE

LIAISONS ÉLECTRIQUES AVEC CAPTEURS NIVEAU HAUT CITERNE

ECUPÉRATION EUR

Configuration standard d'un îlot de chargement

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CHARGEMENT EN SOURCE

10 2-

RÔLE DES ÉQUIPEMENTS (1)

Pompe de chargement La pompe de chargement fournit l'énergie nécessaire au fluide pour assurer son transfert du bac de stockage à la citerne mobile . Le débit de la pompe doit être suffisant pour limiter le temps de chargement .

(2) Dispositif anti-pulsatoire Ce dispositif amortie les "coups de bélier" (brusque variation chocs, de ruptures ou d'usures rapides d'éléments de tuyauterie de la pression) générateur de . (3) Soupape de sécurité Cet élément de sécurité évite tout risque de surpression accidentelle pouvant provoquer l'éclatement de ligne ou d'accessoires de tuyauterie.

(4) Robinet limiteur de pression Afin d'éviter toute surpression due à l'expansion thermique du liquide, les robinets limiteur de pression sont des robinets équipés d'un clapet taré interne.

(5) Filtre

Ce filtre, intégré à l'ensemble de comptage, permet l'élimination des solides éventuellement présent .

(6) D6gazeur Cet accessoire également intégré à l'ensemble de mesurage, permet l'élimination des bulles de gaz ou d'air éventuellement présente et pouvant fausser la mesure volumique du liquide . (7) Mesureur Son rôle est de mesurer la quantité de liquide chargé dans le cadre des transactions commerciales .

(8) Vanne d'autorisation t E ?r C'est une vanne tout ou rien électro-pilotée. De nombreuses informations peuvent donc conditionner son ouverture ou sa fermeture. Limiteur de débit Son rôle est de limiter le débit, donc de limiter la vitesse du liquide afin d'éviter une détérioration rapide du compteur volumétrique et de diminuer les phénomènes d'électrisation du liquide . (10) Vanne "homme mort" II s'agit d'une vanne à fermeture automatique. Son ouverture et son maintien dans cette position nécessitent une opération manuelle permanente . On se prémunit ainsi des risques de débordement. (11) Clapet taré Son rôle est de garantir l'égalité entre la quantité mesurée par le compteur volumétrique et la quantité réellement chargée dans la citerne. (12) Soupape casse vide Sur les bras de chargement en dôme, en fin d'opération la soupape casse vide crée une admission d'air pour permettre l'écoulement rapide du produit encore contenu dans les tubes et articulations, en aval du clapet taré.

© 2000 ENSPM Formation

Industrie

Ansnrri

Risques et precautions liés au matériel

FORMATION INDUSTRIE

CHARGEMENT ET DÉCHARGEMENT DES HYDROCARBURES LIQUÉFIÉS ET LIQUIDES TECHNOLOGIE ET EQUIPEM'ENTS DES CITERNES

Ingénieurs en sécurité Industrielle

I

~ .n}lCi4. '..

-0

:.:f ..}.

- TECHNOLOGIE DES CITERNES .. ...... ... .......... ......... . ...... . .. . . .. ... ... ... ... ... ..... ... .... .. .. . ...... .. . .........1 ÉQUIPEMENTS DE SÉCURITÉ DES CAMIONS-CITERNES ... . ... ... ... ..... ... ... ......... ........ ....1 1 2 3 4

-

Soupape de respiration .............................................. . ...... . ... . ..................................... ............................ ... 1 Obturateur inteme de sécurité .......................................... ............................... ............. ......... ..................... 3 Vanne de déchargement ...................... ............................... . .. .. . ........................................... . .. . .. . ............... 4 Équipement complémentaire pour le chargement en source ....................... .......".......... ..... ._....,..., 5

III - ÉQUIPEMENTS PARTICULIERS AUX WAGONS-CITERNES .. .... ... ...... .. ......... ... .. . ....... ... . ... .8 1 2 3

-

Clapet de sécurité Gestra .......... . .................................................................................................... .. .. ........ 8 Mancauvre du clapet ................. .. . ........ ... ........................................................... ......................................... 9 Frein de wagon .... ............................. ............. ........................................................................ .................... 11

© 199 7 ENSPM Formation Industrie

I -

TECHNOLOGIE DIES CITERNES

La planche n°1 située en annexe illustre la technologie des citemes . De fabrication elliptique ou piriforme, en acier ou en aluminium, les citernes peuvent être constituées de plusieurs compartiments afin d'optimiser le transport "multiproduit" . Des brises lames situés à l'intérieur des citernes limitent le phénomène de balourd. Il-

ÉQUIPEMENTS DE: SÉCURITÉ DES CAMIONS CITERNES 1 -

SOUPAPE DE RESPIRATION

Les couvercles de trou d'homme et d'orifice de remplissage doivent à tout moment conserver leurs qualités mécaniques de serrage et d'étanchéité . Selon les produits transportés, ces éléments peuvent être équipés de soupape de sécurité et d'aération comme le montre le schéma suivant ;

Les fonctions sécurités face à une pression ou à une dépression sont généralement assurées par le même matériel appelé soupape de respiration. La soupape peut être remplacée par un bouchon.

En dehors de ses fonctions sécurités face à une surpression ou à une dépression, la soupape doit garantir une sécurité face au renversement accidentel du véhicule citerne. L'ensemble de ces fonctions sécurités est illustré par les schémas suivants (ces schémas illustrent le principe de fonctionnement de la soupape de respiration YAK de marque PEROLO).

O Fonction service-pression normale Les gaz générés par évaporation soulève (a bille dont le tarage est à 90 mbar.

01996 ENSPM Formation

Industrie

© Fonction sécurité-surpression accidentelle En cas de forte évaporation (échauffement anormal, incendie) les gaz soulèvent l'ensemble du clapet secondaire taré à 250 mbar .

t

O Fonction service-dépression ou déchargement L'entrée d'air s'effectue par décompression du clapet de dépression (tarage = 5 mbar)

® Fonction sécurité renversement La bille de gros diamètre quitte son siège qui est alors obturé par le clapet antidébordement. Les fonctions surpression © et dépression Oa restent assurées . Pour répondre plus particulièrement aux conditions de service requises pour le chargement en source d'un véhicule citerne, la force de fermeture appliquée sur le couvercle du trou d'homme peut être exercée par un ressort. Ce couvercle fonctionne alors comme une soupape de sûreté qui libère alors une section de passage importante ..

© 199 6 ENSPM Formation Industrie

2-

OBTURATEUR INTERNE DE SÉCURITÉ Toute vanne située sur le véhicule citerne doit, grâce à son obturateur, empêcher toute perte d'hydrocarbures . Cette vanne montée en extrémité de tuyauterie peut toutefois en cas de choc ou d'arrachement perdre sa fonction d'étanchéité . Pour se prémunir de ce risque, un second obturateur existe . Ce dernier, placé à l'intérieur du compartiment de 'la citeme est parfaitement protégé. II s'agit d'une vanne clapet dont les manoeuvres d'ouverture et de fermeture peuvent être de nature différente a - manoeuvre par commande MÉCANIQUE HAUTE b - manoeuvre par commande MÉCANIQUE LATÉRALE c - manoeuvre par commande PNEUMATIQUE Le schéma ci-dessous présente la vanne clapet TAP de marque PEROLO.

70

corps filtre

Oa

ressort

O

chapeau

O

soupape

O

chapeau de vérin corps de vérin

Le clapet est à commande pneumatique.

0 1996 ENSPM Formation Industrie

3-

VANNE DE DÉCHARGEMENT Cette vanne conçue pour le déchargement (et pour le chargement si celui-ci se fait en "source" doit répondre -

aux exigences de rentabilité et de sécurité imposées par les exploitants aux normes relatives à la réglementation des transports de liquides inflammables

Les qualités que doit représenter la vanne sont une étanchéité parfaite un entretien réduit une manoeuvre facile et rapide : ouverture et fermeture instantanée un encombrement réduit une perte de charge minimum : offrir un passage direct au liquide un poids faible : pour gagner sur ia charge utile du camion Le schéma suivant donne le principe de fonctionnement de la vanne FIDLOCK (marque PEROLO).

La vanne est équipée d'un levier de manoeuvre qui permet son verrouillage : lorsque l'obturateur de la vanne est ramenée en position fermée par le ressort de rappel, on appuie sur la poignée et en tournant cette dernière, on bloque l'ensemble en position fermée . Certains modèles de vanne sont équipés de poignées examotables .

0 1996 ENSPM Formation Industrie

4 -

ÉQUIPEMENT COMPLÉMENTAIRE POUR LE CHARGEMENT EN SOURCE (voir

planche n°2)

a - Adaptateur du coupleur Ce dispositif joue à la fois le rôle de vanne de vidange et de dispositif de chargement "à sec" du produit. L'ensemble adaptateur-coupleur empêche toute perte de produit lors des opérations de raccordement bras-citerne : le principe de fonctionnement est décrit dans le chapitre relatif au fonctionnement des équipements des bras de chargement . b - Détection de niveau Le chargement en source est lin mode de chargement qui se développe. L'opération s'effectuant au sol dôme fermé, le contrôle du remplissage doit être assuré par un détecteur de niveau dont le rôle est de signaler la présence de liquide dans une zone définie du compartiment . L'équipement se nomme également sonde anti-débordement. D'une manière générale, l'ensemble du système de détection se compose de trois parties 1 - l'élément de détection : point actif 2 - les éléments de transmission 3 - l'élément de réception de la mesure : analyseur 1 -

Élément de détection : il doit être fiable, résister aux vibrations et aux cahots, et présenter un faible encombrement. II s'agit généralement soit d'une thermistance dont le principe de fonctionnement est le suivant : une quantité donnée d'énergie (courant électrique) est injectée dans une sonde qui voit sa température augmentée . L'augmentation de température est d'autant plus importante que le milieu ambiant présente un faible coefficient de transfert thermique : c'est le cas de la phase gazeuse. Lorsque la sonde plonge dans le liquide, on observe une baisse de la température (meilleure dissipation de l'énergie injectée). Ce phénomène est mis à profit pour détecter un niveau haut dans la citeme

Détecteur de Niveau "CASIP" (PEROLO)

-

d'une sonde optique dont le fonctionnement est basé sur le principe de la réflexion/réfraction d'un rayon lumineux émis par un émetteur

01996 ENSPM Formation

Industrie

En l'absence de liquide, le rayon subit une double réflexion et vient éclairer une photorésistance. À cet instant, celle-ci offre une très faible résistance électrique au passage du courant.

En présence de liquide, l'immersion partielle du cône optique provoque le changement instantané de direction du rayon lumineux . Celui-ci est diffusé hors du cône et n'atteint plus la photorésistance qui offre alors une très grande résistance électrique au passage d'un courant.

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2-

Élément de transmission : la liaison des éléments de détection (sondes anti-débordement) est assurée électriquement par une "prise camion" avec capuchon de protection située à proximité des orifices de chargement.

3-

Élément de réception : ce dernier, intégré aux automatismes de chargement peut interrompre l'opération de chargement â chaque détection de liquide par la sonde.

d - Récupération des vapeurs "

Vanne interne vapeur

Ce dispositif situé en partie haute de chaque compartiment permet l'évacuation des vapeurs dans le collecteur, l'ouverture de la vanne est réalisée simultanément aveccelle du clapet de fond. Cette vanne interne vapeur peut être munie d'un flotteur antipollution qui évite, en cas de non détection par la sonde de niveau, le mélange de produit (via le collecteur de vapeur).

Vanne de mise à l'atmosphère

Ce dispositif protège de toute surpression accidentelle . Exemple : l'absence de la connexion du bras de récupération de la phase gazeuse entraîne l'ouverture de la vanne de mise à l'atmosphère .

Adaptateur vapeur Ce dernier permet le branchement du bras de récupération des vapeurs, il est muni d'un obturateur interne évitant tout rejet de vapeur au niveau de l'opérateur. II se situe à proximité des orifices de chargement .

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III - ÉQUIPEMENTS PARTICULIERS AUX WAGONS-CITERNES 1 -

CLAPET DE SÉCURITÉ GESTRA Ce clapet a la même fonction que l'obturateur interne présenté précédemment pour le camion-citerne mais il assure en plus une fermeture automatique en cas - de déplacement accidentel du wagon - d'incendie La vue ci-dessous et la planche montre la mise en place et le schéma de principe du dispositif .

Clapet de sécurité GESTRA équipant un wagon-citerne En dehors des périodes de chargement ou de déchargement, ce clapet doit toujours se trouver en position fermée . II ne peut à lui seul garantir une étanchéité totale, il faut pour cela que les vannes d'isolement situées en aval soient fermées et bridées.

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2-

MANCEUVRE DU CLAPET (voir planche n°3) "

Ouverture

Après raccordement du wagon-citerne à l'installation fixe du dépotage, déverrouiller le clapet de la phase liquide à l'aide du levier 01 . Ouvrir le clapet en exerçant une traction vers le bas sur l'anneau J placé à l'extrémité du câble d'ouverture H amarré au levier de commande S. L'ouverture s'effectue en deux temps -

1 er temps La fourchette U monte et pousse l'embats du clapet auxiliaire V. Ce dernier s'ouvre et la pression dans le corps de la soupape s'équilibre avec celle régnant dans la citerne.

- 26me temps A ce moment le ressort du clapet auxiliaire V se détend vers le haut et pousse avec l'aide du levier B le clapet principal W qui s'ouvre à l'encontre de son ressort permettant le transfert du produit. Pour maintenir le clapet ouvert, il faut utiliser un crochet de rail spécial (ridoir) . L'utilisation de tout autre moyen pour obtenir l'ouverture (calage, accrochage avec fil de fer, ...) constitue une atteinte à la sécurité . Le clapet de la phase -azE _ _ a. quand il existe, est commandé par e levier de commande du levier principal B ei :-rcc,onne de la même manière. "

B1

solidaire

Fermeture

Elle est obtenue en relâchant la traction sur le câble. Le ressort de rappel T ramène le levier de commande B dans sa position initiale et libère le clapet qui se ferme.

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" Crochet de rail Cet accessoire est accroché d'un côté dans l'anneau J du câble H d'ouverture du clapet et de l'autre au rail. II assure la tension pour obtenir l'ouverture du clapet après déverrouillage. Fusible Ressort pour compenser' les différences de niveau Un ressort interne compense les différences de niveaux qui se produisent en cours de vidange. Le crochet est équipé d'un doigt d'accrochage pivotant à is moindre traction due au déplacement du wagonOeillet pour la fixation citerne, . . ce qui entraîne du câble de décrochage son décrochage . I lCrochet de rail Doigt d'accrochage ;

l

1

" Fonctions de sécurité assurées par tes clapets GESTRA La moindre traction entraînée par une déplacement du wagon-citerne lorsque le ridoir est en place provoque le décrochage du doigt et par la suite, la fermeture automatique du clapet . Une matière fusible (tf = 180°C) est utilisée pour le scellement du crochet s'engageant dans l'anneau du câble d'ouverture. Le dégagement du crochet et la fermeture automatique, en cas d'incendie, sont ainsi obtenus. Un câble de décrochage à distance doit être amarré au ridoir (perçage réalisé spécialement à cet effet près de l'extrémité côté rail). Le câble doit avoir une longueur suffisante pour pouvoir être actionné en cas de besoin à une distance assez grande, dans une zone hors de danger et permettre la fermeture automatique du clapet. " Givrage du clapet Une vis de poussée L permet l'ouverture de secours en cas d'impossibilité de manoeuvre après déverrouillage (glace pouvant bloquer l'obturateur). Ne jamais manoeuvrer cette vis si le clapet n'a pas été déverrouiller, car cela entraîne une détérioration du matériel. Lorsque la vis est serré, elle maintient l'obturateur ouvert sans possibilité de fermeture . Donc, l'opération de déblocage terminée, desserrer la vis à fond pour obtenir la fermeture totale du clapet et l'étanchéité vers l'extérieur. Le clapet se manoeuvre ensuite comme précédemment . " Réexpédition du wagon-citerne Les leviers de déverrouillage C1 doivent être replacés en position de fermeture, les capots fermés et plombés. 0 1996 ENSPM Formation Industrie

3-

FREIN DE WAGON Pour immobiliser le wagon, le chargeur peut utiliser des cales ou le frein wagon . Le frein wagon est actionné pneumatiquement par un circuit d'air. Le chargeur peut utiliser la poignée A pour libérer la soupape de vidange (décompression du circuit). Par contre il est interdit d'utiliser la poignée B du robinet C qui doit toujours être en position verticale. Sur la plaque d'identification apparaît le "poids de frein" 2,60 T pour ce wagon.

01996 ENSPM Formation

Industrie

2rL, .,rn

FORMATION INDUSTRIE

TRANSPORT DES MATIÈRES DANGEREUSES - De produits liquides par camion-citerne -

Trou d'homme

Brise lame

Semle-remorque de 32000 I Equlpement

d'une citerne

- Trou d'homme à fermeture rapide - Dispositif d'aeration - Index de jaugeage - Plaque de touche - Supports de sabre - (detecleur de niveau haut) - Clapet interne de sécurité - Vanne de chargement / déchargement

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1

Porteur de 13000 I - Planche n°1 ©1996 ENSPM Formation Industrie

2n-L=,,, rm FORMATION INDUSTRIE

ÉQUIPEMENT POUR CHARGEMENT EN SOURCE

Collecteur phase vapeur

Vanne interne pour phase gazeuse

Vanne de mise à l'atmosphère /

Sonde "anti débordement"

Connecteur mâle (liaison sondes anti débordement à l'automatisme de chargement)

Adaptateur pour récupération phase vapeur

Adaptateur muni de cache pour la connexion du coupleur Obturateur interne de sécurité

- Planche n°2 l ' M Formation

FORMATION INDUSTRIE

CLAPETS DE SÉCURITÉ GESTRA ÉQUIPANT UN WAGON-RÉSERVOIR

c1(Illcl Lit .- sPClude :l IniUUClwje 1alu11e lype IIWV :1613 1 rel="nofollow">0111 Illçl%e Ilqulde AI " (aapl:l de seclude â Inanceuvle (a )1Ue lyliv 1 (WV Alill 011 llil :l II(nu llll ;(sC galeuse II " 1 I :vu!1 (Il . c(ulull ;Ilull : C " flt)il .(a (le th : .cllilluu,ll)1 : C 1 " 1 vv .e( (le ddvellotiiilage f) " Valllu" Uo (Jill(d ;u)c (t3 II(11n111 glll ;l : ;c II(1(ntLa E " Valule (JO (11!polapc 0 50 ou Iln 1(un (Illlasc 9alellsla F " C10( IIC1 (le 1a11 r " . ;1111 (!e (Iccloclw()e potil colunl ;u1111! 5 dlslance c Ii " C  1111e (je Ilaci.(ul avec ;(luleall i. " VI, de p(n15uet! Il " Oulée lusse Iltnu Iev(c( ile Commande U " Couvclcle (111 colllel ou capol lenlcl(rlanl les dlsposdi ls Uc v( :Ilo(Inlnl)e ") " Alule ;m Lit: cati l c lie l I -;%C 1 1 (111 n " Axe (le coinlnandc 11 I , I " Cv i c( , (le cumm ;uldc pour phase g ;lz(:IIS1: f Ilcssoll u.: (appel A

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Planche n°3 ©1996 ENSPM Formation Industrie

FORMATION INDUSTRIE

Pare soleil v

,Platine

1 e e e

l'liil itierrrroméieiyue

1

I

Manolnétre et robinet d'ariet

Cphle de manoeuvre des clapets Ridoir _-_

1

Clapet de sécurité de phase liquide

3

Doigt de mouillage avec bec d'arrét

2

Clape; de sécurité de phase gazeuse

4

Vis de déblocage -

J

I l Robinet de phase liquide

e

r

e

Robinet de phase gazeuse

e

Capot de protection

0 1995 ENSPM - Formation Industrie

SCHEMA D'UN WAGON

Risques et précautions fiés au matériel `, FORMATION INDUSTRIE

Ingénieurs en sécurité Industrielle

CHARGEMENT ET DÉCHARGEivifNT DES HYDROCARaURES LIQUEFIES ET LIQUIDES FONCTIONNEMENT DES EQUIPEMENTS DE BRAS DE CHARGEM'E'NT

BRAS DE CHARGEMENT . ..... . .. . ........ ... ........ . ..... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .. ... ..... ..... ... . ...... .. .... . ... . . . .. . . ..... ... ...... . ..1 .. . .. ... ... ... .... .2 BRAS DE RÉCUPÉRATION DES VAPEURS ...... . . . ...... .. .... ..... ....... .............. ... ... ... .... ....... ... . ROBINET D'ISOLEMENT A LIMITEUR DE PRESSION ....... .. ... ....... ... ..... ... ...... ... ...... ....... ................ ...... .3 ENSEMBLE DE MESURAGE . . ........... ..... ...... ......... ... ....... ........ ... .... ........... ......... ... ....... .......... . . . ...... ... .... .4 ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE .... ... . ..... .. ... ........... . ... ... ...... . .. ... ... ....... .. . ........ . ........ ... .... ..... . . . . . ...... .. 6-10 -13 VANNE D'AUTORISATION ÉLECTRO-PILOTÉE ..... ... ...... ... ......... ...... ... ... ....' . ............. ... ... ... ....... ..11 14 LIMITEUR DE DÉBIT . ... ......... . ...... .. ... ... ........ ............... ... ............... . ......... ......... ... ... ... ... ....... ... . .. ...... .... ... .. .. ... ... ... ..... 15 VANNE DE CHARGEMENT "HOMME MORT" .... ... ... ... . ...... .. ... ....... . ..... ... ............... .... ... ... . . CLAPET TARÉ . ......... . ..... ...... ... ........ .. .......... ....... ........ . ......... .. ....... ... ..... . . . ....... ... ... ...... . ...... ... . ..... ......... .16 ..17 SOUPAPE CASSE-VIDE . ... .... ..... ......... ........ ...... . . ........... ........ . ..... . . ........... ... ... . .. ...... . ... ... ....... ...... ... ... DÉTECTEUR DE CONTACT DE FOND DE CUVE .. ......... ...................... .. .... ... ... ....... ......... ............ .. .... 18 COUPLEUR . ...... ... ............ ........ . ............. ...................... ....... ... ...... ........ . ..... . ... ......... .... . .. .... . . . ... ...... ... .... 19 FONCTIONNEMENT DU COUPLEUR .. ............ ... ... ... ...... . ..... ... . ...... . ... . .... ... ......... ....... ... .... ... ... ...... ...... 20 AUTOMATISME SUR UN CHARGEMENT . ......... . ......... ... ... ... ... . .................. ... ... ...... .... ... . .. ... . . . . ...... ...... 21

© 1997 ENSPM Formation Industrie

BRAS DE CHARGEMENT

Le bras de chargement est l'ensemble de la liaison mobile qui permet d'amener le liquide à partir d'un point fixe à l'îlot de chargement jusqu'à la citerne. II s'agit de portions droites de tuyauterie reliées entre elles par des articulations . L'ensemble étant réalisé de manière à permettre les débattements nécessaires au bras lors de ses manoeuvres afin de laisser un libre accès aux camions en dehors de l'opération de chargement . Les figures ci-dessous présentent un bras de chargement par le dôme ainsi qu'un bras de chargement en source marque PEROLO .

1 Grenouillère principale - Heavy Outy 2 Vanne de ctargement - Fab 3 Clapet taré - S .I .M . 4 Casse vide 5 Mécanisme d'équilibrage & Tube principal 7 Commande de manoeuvre â distance 8 Coude tournant - standard 9 Tube secondaire 1o Coude tournant - medium 1 1 Tube plongeur

Bras de chargement par le dôme (Série LOADIMAX marque PEROLLO)

Bras de chargement en source

Doc. PEROLO

Selon lâi nature du produit pétrolier à charger, le bras de chargement peut être racé et calorifugé. © 1996 ENSPM Formation Industrie

BRAS DE RÉCUPÉRATION DES VAPEURS

Ce bras munit d'un flexible permet la liaison entre la phase gazeuse collectée au sommet de la citerne mobile aux équipements fixes situés dans la zone du terminal de chargement . Le schéma ci-après présente ce typé de bras . Un pare-flammes peut être intercalé entre l'installation mobile (citerne) et l'installation fixe de l'îlot de chargement afin de prévenir tout risque de retour de flammes vers les installations de traitement des vapeurs.

RACCORD

a

CA-E +'

© 1996 ENSPM Formation Industrie

E:

ROBINET D'ISOLEMENT A LIMITEUR DE PRESSION

Lorsqu'un liquide est isolé entre le robinet d'arrêt et is vanne de chargement ou entre deux robinets d'arrêt, toute élévation de température provoque une dilatation de ce liquide . La surpression engendrée est susceptible d'entraîner des détériorations mécaniques voir un éclatement de la tuyauterie ou de ses équipements . Le robinet d'isolement à limiteur de pression permet de combiner les deux fonctions (arrêt et décompression) sur un même appareil. II s'agit de vanne à manceuvre rapide par 1/4 de tour, dont l'obturateur est muni d'un clapet taré limiteur de pression . Le limiteur de pression agit comme une soupape de décompression interne lorsque le robinet est en position fermée, libérant vers l'amont la pression excédentaire . Le tarage de décompression est réglé entre 1 et 1,5 bar. Pour que la décompression se fasse normalement, il est nécessaire que les installations en amont permettent une détente dans le réservoir de stockage directement ou par by-pass .

01996 ENSPM Formation Industrie

ENSEMBLE DE MESURAGE

MODE DE DÉTERMINATION DES QUANTITÉS CHARGÉES Toutes Les opérations de chargement (ou de déchargement) réalisées dans le cadre de transactions commerciales ne peuvent être validées que par la connaissance exacte des quantités chargées . L'évaluation de ces quantités se fait par -

détermination volumétrique détermination massique

Le mode de détermination mis en oeuvre est fonction de la nature du produit . De plus, l'appareillage utilisé doit être agréé par les Services des Instruments et Mesures (S .I.M.) . La détermination volumétrique concerne les produits blancs (carburants auto, kérosène, gas oil moteur, . ..). La détermination massique est utilisée pour les produits noirs (fuel cil lourd, bitume).

RELATION DÉBIT - MASSE - DÉBIT VOLUME On adopte généralement la lettre Q pour représenter un débit et l'on appelle Qm le débit masse de produit Qv le débit volume du produit II existe une relation entre Qm et Qv par l'intermédiaire de la masse volumique du produit . On a en effet Débit masse Om (en kg/h)

= masse volumique p (en kgfm3)

Débit volume

Qv

(en m3lh) =

x débit volume Qv (en m3/h)

débit masse Qm (en kg/h) masse volumique p (en kg/m3)

Dans la pratique la relation suivante est d'un usage plus simple

Qm

(en tlh)

= densité

x débit volume Q v (en m3 lh)

0 1996 ENSPM Formation Industrie

compteurs lesàinstallations, ou deséquipement pour équipements filtre dégazeur mesureur indicateur imprimeur donner organes dispositifs pompe certains dedes d'alimentation de comptage ou associé de complémentaires de de résultats commandes un tickets 1996 sécurité ces purgeur àENSPM éléments son qui satisfaisants comprend de Formation dispositif gaz peuvent pourdoivent de constituer Industrie ne réglage pas êtreexister correctement ce que l'on appelle installés "un Ilsensemble sont toujours de

Les associés mesurage"

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Suivant

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0

ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE

COMPTEUR VOLUMÉTRIQUE Un compteur volumétrique est un instrument qui détermine le volume du liquide par balayage de ce fluide à l'aide d'un mécanisme dont les cycles sont pratiquement immuables et dont les mouvements sont transmis par des axes et des engrenages au dispositif indicateur. Les équipements composant le compteur sont le filtre pour l'élimination des solides. La filtration requise est facteur du produit véhiculé (maille de 80 g. pour les carburants, auto, 40 g pour le gazole) . Dans ce domaine, il est indispensable de se conforter strictement aux recommandations du constructeur . le dégazeur nécessaire chaque fois que l'aspiration de la pompe est en dépression . C'est le cas notamment lorsque le stockage et situé à un niveau inférieur à celui des pompes . I s'en suit une entrée éventuelle d'air provenant en permanence du fait d'un joint fuyard, d'une bride mal serrée, d'une garniture, de la pompe défectueuse, ... II faut remarquer que le dégazeur est inefficace pour les produits très visqueux et il convient alors de concevoir l'installation pour que les entrées d'air soient impossibles. le purgeur pour la protection des compteurs contre les passages d'air à la mise en route de l'installation ou lorsqu'il n'y a plus de liquide II évacue aussi les poches de gaz provoquées par les contractions de produit dues aux variations de température dans une portion de tuyauterie fermée par des vannes . le mesureur qui mesure la quantité chargée, visualisée par l'indicateur. -. 1 - tubulure centrale 2 - dégazeur 3 - mesureur 4 - vanne électro-pilotée 5 - prédéterminateur 6 - indicateur

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ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE (suite)

FILTRE DÉGAZEUR Le liquide sous pression est dirigé vers le filtre purgeur-bloqueur dans lequel il traverse les paniers en toile inox (6). Lorsque de petites quantités de gaz sont présentes, elles sont éliminées en continue et de façon automatique grâce à l'ouverture d'un clapet (1) provoquée par le mouvement du flotteur (3). Lorsque la quantité de gaz est très importante (présence d'air après vidange complète du réservoir), le flotteur descend très bas et entraîne avec lui l'aimant (4) solidaire de la double articulation (2). Le rôle de cet aimant est de maintenir fermer le contact avec l'ampoule (5). L'interruption de ce contact entraîne la fermeture de la vanne d'autorisation qui reste fermée tant que la poche d'air n'est pas évacuée. Le liquide ainsi débarrassé et toute trace de gaz est acheminée par le canal central de la tubulure vers le capteur.

0 1896 ENSPM Formation Industrie

ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE (suite)

MESUREUR L'ensemble rotor palette (a - b) se met en mouvement sous l'influence de la pression du liquide sur les palettes (b). Une certaine quantité de liquide (c) est enfermée et mesurée, entre deux palettes successives, sur la partie de leur trajet circulaire correspondant au plus grand des deux rayons du stator, puis ensuite est dirigée vers ~a tubulure de sortie . La quantité du liquide mesurée à chaque tour, c'est-à-dire le volume cylindrique est égal à quatre fois la quantité mesurée (5) . Le liquide traverse ensuite la vanne d'autorisation électro-pilotée .

Pour la précision de la mesure, il est indispensable d'évacuer tout le gaz avant le passage dans le mesureur. L'erreur relative d'un compteur dépend du débit et de la viscosité du produit.

Un compteur doit être étalonné avec le même produit et dans les mêmes conditions qu'en fonctionnement normal, de plus il doit fonctionner autour du débit pour lequel ii a été réglé lors de l'étalonnage . Néanmoins, il possède une flexibilité de 1 à 10. II convient donc de prévoir dans l'installation de l'ensemble de comptage un dispositif permettant de réguler le débit au voisinage du point d'étalonnage, si l'installation peut être soumise à de grandes variations de débit. A proximité de l'ensemble de mesurage un capteur de température est installé de façon à connaître la masse de produit chargé .

0 1996 ENSPM Formation Industrie

E

ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE

COMPTEUR MASSIQUE L'utilisation d'un compteur volumétrique pour (es produits noirs est inadaptée car leur viscosité et leur température sont susceptibles de varier. Par simples pesées du camion (avant et après chargement) il est aisé de connaître la masse de produits chargés . Le volume chargé est obtenu grâce à la mesure de la densité du produit (dans les conditions de chargement) Volume chargé en m3

-

chargée en tonne densité réelle

Des compteurs massiques peuvent être utilisés de façon indicative . Ils sont très utiles dans le cas de prédétermination . Mais dans tous les cas, c'est (e résultat des pesées qui permet la rédaction des documents de transport. II est possible de mesurer directement le débit masse d'un fluide à partir de l'effet exercé par les forces d'accélération de Coriolis . L'appareil se compose d'un tube en "U" sans obstruction au travers duquel circule librement le fluide mesuré .

Tube de mesure vibrant

A

A . S. Forces réactives exercées par le fluide

La mesure repose sur une application de la seconde loi de Newton, qui dit qu'un corps de masse m, subissant une accélération y, est soumis à une force F = m x y, produit de la masse par l'accélération . Le tube de mesure est soumis à un régime vibratoire contrôlé par un dispositif électromagnétique (figure 1). Le fluide en déplacement dans le tube avec une vitesse Vr est soumis d'autre part, du fait de ce régime vibratoire, à une rotation angulaire instantanée . La combinaison de ces deux mouvements crée une accélération dite de Coriolis perpendiculaire au sens de déplacement du fluide . Du fait que le sens de déplacement du fluide est inverse dans les deux branches du tube, le sens de l'accélération de Coriolis l'est aussi et les forces réactives résultantes génèrent un couple qui se traduit par une torsion dans un plan.

Torsion résultante

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ÉQUIPEMENT DE COMPTAGE

COMPTEUR MASSIQUE (suite) Pendant la première demi-période d'un cycle de vibration, la torsion se traduit vers le côté entrée, pour se reproduire en sens inverse lors de la seconde demi-période, côté sortie en restant proportionnelle à la masse instantanée de fluide débitée à travers le tube . Deux détecteurs magnétiques de position, placés à un point représentatif sur chacune des jambes du tube en "U" mesurent la valeur angulaire respective des torsions de sens opposé . De par son principe, la précision de la mesure n'est pas affectée par les variations de grandeurs physiques des fluides mesurés (viscosité, température, pression, densité) . La nature de l'élément détecteur, un tube sans obstruction, permet la mesure des fluides extrêmement visqueux ou comportant des solides en suspension ; le régime d'écoulement n'est pas critique, et la conception des pressions de service élevées. Précision de mesure : meilleure que 0,5 %. La vue ci-dessous montre le compteur massique .

0 1998 ENSPM Formation Industrie

VANNE D'AUTORISATION ÉLECTRO-PILOTÉE - DESCRIPTION -

La vanne d'autorisation dont le schéma de principe est présenté sur les figures 1 et 2 fonctionne par pression différentielle, le circuit d'alimentation étant contrôlé par une vanne électromagnétique. La vanne se compose des éléments suivants une enveloppe extérieure (1) un clapet anti-retour (2) qui se soulève lors du passage du liquide et retombe sur son siège à l'arrêt. Ce clapet est équipé d'une bille de décharge comme on a coutume d'en disposer chaque fois qu'un liquide est emprisonné dans une canalisation entre deux vannes ou clapets étanches . une chemise (3) équipée d'une vanne électromagnétique (4) qui ouvre ou obture un circuit d'alimentation (5), reliant l'amont et l'aval de la vanne d'autorisation un équipage mobile (6) "formé" par un piston, une garniture moulée et un déflecteur" coulisse à l'intérieur de la chemise un ressort (7) maintient l'équipage mobile sur son siège. La partie inférieure de la chemise est fermée par un couvercle (8) servant de guide anti-retour.

La vanne d'autorisation électro-pilotée est incluse dans l'ensemble du comptage, juste en sortie du mesureur. 0 1996 ENSPM Formation Industrie

VANNE D'AUTORISATION ÉLECTRO-PILOTÉE - DESCRIPTION -

Lorsque l'électro-pilote (4) n'est pas alimenté électriquement (figure 1), le noyau (9) de l'électro est maintenu en position AV par l'action du ressort (10) et vient obturer le circuit d'alimentation (5). Dans ces conditions, la pression du liquide en amont de la soupape est transmise à l'intérieur de la chemise par le circuit d'alimentation (B). Un trou (A) situé à la partie supérieure du piston permet l'évacuation d'une poche de gaz éventuelle . L'équipage mobile (6) est maintenu en position fermée par le ressort (7) et surtout la pression exercée sur la face arrière du piston . La soupape étant fermée, si on alimente l'électropilote, son noyau(9) est attiré en position AR (figure 2), et ouvre ainsi le circuit d'alimentation, mettant en communication la chambre du piston avec la partie aval de l'installation . La chambre du piston est ainsi pratiquement à la pression aval de la soupape. L'équipage mobile (6) est alors soumis "

à une force de fermeture

"

à une force d'ouverture

Cette dernière étant plus grande, le piston descend, dégage les lumières latérales permettant le passage du liquide. L'équipage mobile reste en position ouverte.

Figure 2

Si on interrompt le courant d'alimentation de l'électro-pilote, le circuit est obturé, la pression dans la chambre du clapet monte progressivement . La soupape se ferme et l'on se trouve alors dans les conditions décrites au départ .

0 1996 ENSPM Formation Industrie

VANNE D'AUTORISATION À DEUX RÉGIMES DE DÉBIT

Sur de nombreux îlots de chargement, la vanne d'autorisation est légèrement différente de manière à permettre deux régimes de débit : petit et grand débits . Dans ce cas les opérations de chargement débutent et se terminent avec un débit plus faible qui permet de réduire les risques électrostatiques (vitesse de circulation plus faible) en début de chargement lorsque la canne de chargement (en dôme) ne baigne pas encore dans le liquide de faciliter l'arrêt de l'opération de chargement au volume prédéterminé Le principe de fonctionnement de cette vanne à deux régimes de débit est montré sur la figure 3. Ce principe est analogue au précédent sauf que la fermeture est réalisée en deux temps -

fermeture de l'électro-pilote (1) puis fermeture de l'électro-pilote (2)

0 1996 ENSPM Formation Industrie

14

LIMITEUR DE DÉBIT

Cet accessoire introduit une perte de charge importante dès que le débit tend à dépasser une certaine valeur . En effet on constate qu'à très grand débit, un compteur volumétrique se détériore très rapidement . Le limiteur de débit représenté sur la page suivante, se compose principalement d'une manchette (1) contenant un diaphragme de grande section (2) suivi d'un papillon (3) tournant autour d'un axe. Un ressort de rappel (4) tend à maintenir ce papillon en position ouverte. L'action de ce ressort est contrariée par l'action des pressions hydrauliques s'exerçant sur les deux faces d'une membrane Bellophram (5). La face externe de cette membrane est soumise par l'intermédiaire du canal (6) à la pression hydraulique P1 s'exerçant en amont du diaphragme (2) et la face interne est soumise à la pression P2 s'exerçant en aval . La force résultant de l'action sur la membrane des deux pressions P1 et P2, force qui tend à fermer le paillon, est proportionnelle à la perte de charge P1 - P2 apportée par le diaphragme . Celle-ci ne dépend que de la nature du liquide et de sa vitesse, mais non de sa pression absolue . Dès que la vitesse du liquide dépasse une certaine valeur, la force s'exerçant sur la membrane l'emporte sur la force due à la tension du ressort (4) et provoque la fermeture du papillon (3). La perte de charge P1 - P3 introduite par le limiteur de débit augmente alors brusquement .

Cet accessoire est destiné à être placé entre le compteur et le bras de chargement, en respectant une certaine longueur droite en amont (5 fois le diamètre D de la tuyauterie) et en aval (3 D)

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VANNES DE CHARGEMENT "HOMME MORT"

La vanne présentée en exemple ci-dessous est la vanne "FIAB" de marque déposée "PEROLO" . Ce sont des vannes à fermeture automatique antichoc . La fermeture progressive évite tout arrêt brutal générateur de coup de bélier . Le profil intérieur de ces vannes est étudié de façon à limiter leur perte de charge . Différents constructeurs proposent ces équipements basés sur les principes de fonctionnement semblables " Ouverture Lorsque le levier de commande (1) est actionné, la vanne (3) qu'il entraîne agit sur le clapet de décompression (2) qui libère un orifice de faible section. Le but de cette première action est de faciliter la manoeuvre d'ouverture postérieure

O

Le clapet (2) pousse ensuite le piston principal (4). Cette action permet l'ouverture complète de la vanne . On évite la compression du liquide contenu dans la chambre interne grâce au trou calibré (5) accessible . Fermeture Lorsque le levier de commande(1) "HOMME MORT" est lâché de manière volontaire ou non, le ressort du piston principal (4) ainsi que celui du clapet de décompression (6) exercent des forces de fermeture . Mais la fermeture du piston central provoque une chute de pression dans la chambre interne qui s'oppose immédiatement à sa fermeture. La chute de pression ne peut plus être compensée par l'orifice calibre (5) : ce dernier étant maintenant obturé par la tige du clapet de décompression (8) . Seul l'orifice du pointeau (9) permet l'admission du liquide. La vitesse de fermeture du piston principal est donc fonction du degré d'ouverture du pointeau.

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Ce système de temporisation de vitesse de fermeture est réglable sans démontage de la vanne. Le réglage est effectué en tenant compte de la viscosité du produit. r~~~i

a ©1996 ENSPM Formation Industrie

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CLAPET TARÉ

Quelque soit le mode de ; distribution adopté, le compteur n'est jamais installé au bout de la ligne. Aussi dans de nombreux pays, les Services des Instruments de Mesures (S .I .M .) impose la mise d'un clapet taré afin que la quantité de produit mesurée par le compteur soit exactement celle que traverse le clapet . Pour éviter de créer une importante perte de charge supplémentaire, PEROLO a conçu un modèle de clapet à obturateur escamotable et à perte de charge dégressive permettant une ouverture intégrale et un passage direct. Dès que la pression atteint 110 millibars, elle provoque l'ouverture de l'obturateur, celui-ci se maintien en position d'ouverture totale . Dès l'arrêt du débit, l'obturateur se referme et le ressort reprend sa position de fermeture au tarage étalonné . II n'est donc pas possible de vidanger par gravité le volume déjà mesuré par le compteur et contenu dans la tuyauterie et la grenouillère principale en ouvrant la vanne de chargement.

1 2-

3 4 -

Sous-ensemble obturateur

Ressort Corps Axe

Dans le cadre de transactions commerciales, le clapet taré est installé immédiatement après la vanne de chargement. Dans le cas d'une distribution 'tuyauterie pleine", un second clapet taré est installé en bout de bras .

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SOUPAPE CASSE VIDE

Sur les bras de chargement par le haut, lorsque ('opérateur a refermé la vanne de chargement, il faut créer une admission d'air pour permettre l'écoulement rapide du produit encore contenu dans les tubes et articulations, en aval de l'obturateur de la vanne . Cependant le produit pompé ne doit pas pouvoir s'échapper par cette entrée d'air lorsque l'opération de chargement est en cours. Le casse-vide qui équipe les bras "LOADIMAX" comporte un obturateur à membrane assurant l'étanchéité pendant le transfert du produit . Cette membrane s'efface sous l'effet de la dépression créée par la succion de l'écoulement.

Quand le bras comprend un clapet taré, le casse-vide doit être monté sur le corps du clapet taré .

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DÉTECTEUR DE CONTACT DE FOND DE CUVE

Lors d'un chargement en dôme, le remplissage en pluie des réservoirs ou citernes favorise la création d'électricité statique . Aussi, dans un souci de sécurité, la législation française impose que le tube plongeur soit de longueur suffisante pour atteindre de fond de la cuve ou qu'un dispositif limite la vitesse de remplissage à 0,9 mls jusqu'à ce que l'embout du tube plongeur soit immergé. Pour répondre à cette demande, l'extrémité du tube plongeur peut être équipé d'un détecteur qui est excité mécaniquement par contact sur fond de cuve ou par immersion. Les figures suivantes montrent certains de ces systèmes

Version sans contact Fond de cuve

Version avec contact Fond de cuve

Plongeur

- Dans la version sans contact de fond de cuve, le début de chargement ne peut se faire qu'à petit débit, le passage à grand débit se faisant qu'après immersion complète du détecteur (cas O). - Dans la version avec contact de fond de cuve lorsque celui-ci est activé, le changement se fait - cas

: à grand débit (dès le début du changement)

- cas O : à petit débit et passage après une temporisation à grand débit. Les modes d'utilisation relatifs au cas O et au cas Os sont réalisés par l'intermédiaire de l'asservissement d'une vanne à ouverture 2 temps (petit et grand débit) .

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COUPLEUR

Dans le cas de chargement source, un coupleur est installé juste en amont de la vanne de chargement de véhicule citerne. Le rôle de ce coupleur est, grâce à des dispositifs de sécurité mécaniques, de conduire les opérateurs à réaliser les manoeuvres d'accouplement et de désaccouplement du bras sans épandage de produit : le dispositif est tel que le produit ne peut pas s'insérer entre le clapet de la vanne et le clapet du coupleur . Le coupleur peut aussi empêcher le risque de mélanger plusieurs produits l'accouplement ne peut se faire que si la vanne du véhicule citerne placée juste en aval est fermée le coupleur ne peut être ouvert que "

s'il est correctement installé si la vanne du véhicule n'est pas ouverte

en position d'ouverture, le coupleur ne peut pas être désaccouplé la fermeture du coupleur entraîne celle de la vanne, s'il n'est pas correctement fermé, le désaccouplement est impossible Le schéma suivant montre le coupleur CAMSEC de marque "PEROLO". Le schéma de la page suivante montre la mise en place du coupleur sur l'adaptateur, situé sur le véhicule .

PXE DE COMMANDE

CLOCHE COMMANDEE

BAGUE PORTE-JOINTS

CLAPET TARE POSITION OUVERT

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CONFORME

©1996 ENSPM Formation Industrie

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FONCTIONNEMENT DU COUPLEUR

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verrouillage manuel

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du coupleur sur

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1 -1 ION OU CROC-ET CE CE`laRCUjLL--GE -VFNï I

'AVFNC` CE L9 CLOC-E

SOME Phase 2 :

Ouverture manuelle du coupleur Ouverture du clapet taré sous l'action de la pression

Doc. PEROLO ©1996 ENSPM Formation Industrie

AUTOMATISME SUR UN CHARGEMENT Canne

de produit blanc

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Risques et Précautions liés au Matériel

POMPES TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES POMPES CENTRIFUGES

D5

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - DESCRIPTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE SIMPLE ......................................................... 1 II - FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE ............................................................... 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

Évolution de la pression et de la vitesse dans une pompe centrifuge.......................................... 2 Hauteur d'élévation créée par une pompe centrifuge ..................................................................3 Variation de la hauteur d'élévation en fonction du débit : caractéristique de la pompe ............... 4 Autres caractéristiques .................................................................................................................5 Variation des caractéristiques ...................................................................................................... 6 Mise en place d’une pompe centrifuge sur un circuit ................................................................. 10 Marche en série - Marche en parallèle....................................................................................... 11 Démarrage ................................................................................................................................ 13 La cavitation ...............................................................................................................................13

III - TYPES DE POMPES CENTRIFUGES ET EFFORTS DUS À L'HYDRAULIQUE .................. 16 1 2 3 4

-

Principaux types de pompes centrifuges.................................................................................... 16 Efforts dus à l’hydrauliques dans les pompes ............................................................................20 Influence du jeu aux bagues d'usure et aux ailettes de dos....................................................... 25 Effet des forces hydrauliques sur la fiabilité de la pompe .......................................................... 27

IV - CIRCUITS AUXILIAIRES ........................................................................................................ 28 1 2 3 -

Les circuits de purge et d’évent .................................................................................................28 Les circuits de refroidissement ...................................................................................................28 Arrosage de la garniture (flushing) et quench ............................................................................30

PLANCHES Planche n°0 Planche n°1 Planche n°2 Planche n°3 Planche n°4 Planche n°5 Planche n°6 Planche n°7 Planche n°8 Planche n°9 Planche n°10 Planche n°11 Planche n°12 Planche n°13 Planche n°14 Planche n°15

: : : : : : : : : : : : : : : :

Environnement d'une pompe centrifuge en unité Pompe centrifuge monocellulaire – En porte à faux – Pompe centrifuge monocellulaire – Roue en porte à faux – Pompe centrifuge process – À plan de joint radial : Roue à 2 ouïes – Pompe "In Line" – À joint radial – Pompe "In Line" – Haute vitesse – Pompe "In Line" – Joint axial, roue à 2 ouïes – Pompe centrifuge à 2 roues – Plan de joint radial conforme API – Pompe centrifuge multicellulaire – Plan de joint horizontal conforme API 610-8eme – Pompe muticellulaire – Joint radial et disque d'équilibrage – Pompe verticale de pied Pompe verticale – À barrel extérieur – Pompe hydraulique Vortex Pompe horizontale – Pour produits chimiques – Pompe sans garniture – À rotor noyé – Pompe à entraînement magnétique – À aimants permanents –

MT POM - 01619_B_F - Rév. 3

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„ 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

19/04/2005

-2/A

1

I-

D 5 -2/A

DESCRIPTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE SIMPLE Les pompes centrifuges sont le type de pompe le plus répandu en raffinerie et usines chimiques. Leur fonction est d'assurer le débit de liquide souhaité par l'exploitant mais dans des conditions de pression imposées par les procédés et les applications, avec des contraintes particulières à l'installation, l'environnement, la fiabilité, la sûreté, etc. La pompe centrifuge la plus simple est la pompe monocellulaire à roue en porte à faux comme représentée sur le schéma ci-dessous.

Refoulement Corps de palier

Joint de corps Double volute Impulseur roue Corps de pompe

Labyrinthe d'étanchéité

Boîtier à roulement

Anneau de lubrification

Bagues d'étanchéité Bagues de fond

Garniture mécanique

Bouchon de purge Corps de garniture

D T 424 B

Arbre

Chemise de garniture

Pompe centrifuge monocellulaire (en porte à faux) Cette pompe est composée d'éléments statiques et de pièces tournantes. On distingue dans les éléments statiques : -

le corps de pompe sur lequel se trouvent les tubulures et brides d'aspiration et de refoulement, la volute et les pieds (ou pattes) de fixation sur le châssis le corps de garniture (ou plateau de garnitures) fermant l'arrière du corps de pompe, est traversé par l'arbre et reçoit le système d'étanchéité (tresses ou garniture mécanique) le corps de palier dans lequel sont montés des roulements ou des paliers à coussinet et qui contient le système de lubrification. Le corps de palier possède souvent une béquille de supportage.

Les parties tournantes ou rotor composé de l'arbre sur lequel sont montés les roulements, l'impulseur (ou roue), le moyen d'accouplement et les pièces tournantes de la garnitures mécaniques. 01619_B_F

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2

D 5 -2/A

L’ensemble mobile appelé rotor se compose : -

d’un arbre sur lequel sont montés : • • •

-

un impulseur (ou roue) un accouplement permettant la liaison avec la machine d’entraînement diverses pièces telles que chemises d’arbre, déflecteur ou labyrinthe d’étanchéité, écrous de fixation, …

d’éléments liant le rotor et les pièces fixes et donc soumises à frottement : • •

les roulements la garniture d’étanchéité

Parmi ces différentes pièces, l’impulseur et la volute sont celles qui sont directement impliquées dans la fonction de pompage de la machine. Au travers elles, se produisent les variations de vitesse et de la pression du liquide.

II -

FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE 1 - ÉVOLUTION DE LA PRESSION ET DE LA VITESSE DANS UNE POMPE CENTRIFUGE Le schéma ci-dessous montre l’évolution de la vitesse et de la pression dans la pompe.

yy ;; ; y ;; yy ; y ;;y; yy

Tubulure de refoulement

Pression Vitesse Pression

Vitesse

Roue PR

∆P volute

∆P pompe

Aspiration

Chute de pression ≅ NPSH pompe

Volute

1

2

3

5

4

0 Tubul. d'aspir.

Roue Pompe

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Tub. ref. + volute

D T 017 B

Tubulure d'aspiration

∆P roue

PA

3

D 5 -2/A

Du schéma ci-avant on peut noter que :

2-

-

la vitesse à l'entrée de la pompe est de l'ordre de 1 m/s à 2 m/s, la vitesse à la sortie autour de 3 à 7 m/s.

-

la vitesse en sortie de roue est de l'ordre de grandeur de la vitesse périphérique c'est-à-dire entre 20 et 50 m/s.

-

la pression d'aspiration dépend de l'installation

-

la volute, comportant une section de passage croissante, permet un ralentissement du liquide et la transformation de l’énergie de vitesse en énergie de pression (ce gain de pression constitue une part importante de la pression totale fournie par la pompe.

-

la mise en vitesse , les pertes de charge dans la tubulure d'aspiration et les chocs du liquide contre les aubages occasionnent une chute de pression à l'entrée de la roue. Cette chute de pression, exprimée en mètre de liquide, est appelée le NPSH de la pompe ou NPSH requis.

HAUTEUR D'ÉLÉVATION CRÉÉE PAR UNE POMPE CENTRIFUGE L'énergie que fournit la pompe au liquide se présente sous 2 formes : -

de l'énergie de pression, correspondant à l'augmentation de pression dans la pompe

-

de l'énergie cinétique, correspondant à l'augmentation de vitesse du liquide entre l'aspiration et le refoulement

L'énergie de la pompe fournit au fluide est appelée hauteur d'élévation et s'exprime, en mètres de liquide, de la façon suivante : H élévation

=

∆P x 10,2 d

123

123

énergie fournie par la pompe au liquide en mètres

énergie due à l'accroissement de pression dans la pompe

+

2 2 v ref – vasp 20

123 différence d'énergie cinétique entre le refoulement et l'aspiration

v : vitesse en m/s ∆P : pression en bar d : densité du liquide Dans de nombreux cas la différence d'énergie cinétique est négligeable au regard de l'augmentation de pression. La mesure des pressions doit se faire dans un même plan de référence. Si les manomètres ne sont pas au même niveau il faut corriger la hauteur d'élévation de la différence de niveau.

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4

D 5 -2/A

3 - VARIATION DE LA HAUTEUR D'ÉLÉVATION EN FONCTION DU DÉBIT : CARACTÉRISTIQUE DE LA POMPE La courbe représentant la variation de hauteur en fonction du débit s’appelle la caractéristique "hauteur d'élévation" H(Q) de la pompe. Pour chaque pompe, une courbe est fournie par le constructeur. Elle a été établie par un essai de la pompe sur un banc. Hauteur d'élévation totale (m de liquide)

D T 019 B

H

Q

Débit volume (m3/h)

– Courbe caractéristique hauteur d'élévation fonction du débit volume – Selon le type de la pompe, son rôle, ses spécifications, la courbe caractéristique peut prendre diverses allures. Les formes de la roue, le nombre et l'inclinaison des aubages, la volute permettent au constructeur d'adapter la caractéristique aux exigences de l'utilisateur. H

H

Q Courbe en cloche

Q Courbe plate

Q Courbe tombante

Les courbes les plus courantes dans les pompes procédé sont de type "plate" ou 'en cloche".

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D T 020 B

H

5

4-

D 5 -2/A

AUTRES CARACTÉRISTIQUES • Le rendement et la puissance Le rendement de la pompe est le rapport entre la puissance hydraulique (reçue par le liquide) et la puissance mécanique fournie à la pompe. Ce rendement varie en fonction du débit. Il est représenté par une courbe fournie par le constructeur de la pompe. Le rendement permet de déterminer la puissance sur l'arbre connaissant la puissance hydraulique. Le meilleur rendement de la pompe détermine le débit nominal pour lequel correspond la hauteur nominale et la puissance nominale. Les rendements maxi sont de l'ordre de : -

70 % pour les pompes procédé à 3000 tr/min 80 % pour les pompes procédé à 1500 tr/min 80 % pour les pompes de forte puissance 50 à 60 % pour les petites pompes H H

P η

HN

PN

Pa pour d

η maxi D T 400 A

η

Q nomimal La puissance sur l'arbre est une caractéristique de la pompe permettant de déterminer le moteur d'entraînement. Cette puissance se calcule à partir de la connaissance pour un débit donné de la hauteur, du rendement et de la densité.

PH

H x Q x d Pa = = 367 x η η

P en kW

H en m Q en m 3 /h d : densité η : rendement de la pompe

La puissance est proportionnelle à la densité du liquide véhiculé. Le constructeur trace éventuellement la courbe de puissance pour de l'eau (d = 1) et la calcule pour une autre valeur.

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D 5 -2/A

La puissance sur l'arbre est pour les pompes centrifuges pratiquement toujours croissante avec le débit. Lorsque le débit est nul c'est-à-dire lorsque la vanne de refoulement est fermée par exemple, la puissance est comprise entre 40 et 60 % de la puissance nominale.

Pa Q = 0 = 0,4 à 0,6 Pnominale Dans ce cas toute la puissance est dissipée sous forme de chaleur dans le liquide avec le risque de vaporisation du liquide si celui-ci se trouve dans des conditions proches de sa température d'ébullition. • Le NPSH requis Le constructeur de la machine doit également fournir la courbe de NPSH en fonction du débit. Celle-ci est généralement tracée entre 40 et 50 % et 100 à 110 % du débit nominal.

D T 401 A

NPSH

QN

Qv

La valeur du NPSH au débit nominal est de l'ordre de : -

3 à 4 m pour des pompes procédé à 3000 tr/min 2 à 2,5 m pour des pompes à 1500 tr/min sans équipement spécifique pour diminuer le NPSH les pompes à haute vitesse ont des NPSH pouvant atteindre 10 m.

D'une façon générale, plus la vitesse de rotation ou plus la vitesse d'entrée du liquide dans la roue est élevée, plus le NPSH est grand.

5-

VARIATION DES CARACTÉRISTIQUES Les pompes centrifuges doivent s'adapter aux conditions d'exploitation de l'installation. On utilise pour cela généralement une vanne sur le circuit de refoulement. Cette solution par vanne peut s'avérer onéreuse ou peu fiable. Il faut donc parfois adapter les pompes centrifuges à une nouvelle fonction de pompage soit en modifiant le diamètre de leur roue, soit en modifiant la vitesse de rotation. Les caractéristiques sont également liées à la viscosité du produit pompé. a - Réduction du diamètre des roues (rognage) Modifier le diamètre de roue revient à modifier la hauteur et le débit de la pompe. Un rognage (réduction du diamètre), entraîne une réduction notable de la puissance. Cette solution est cependant irréversible et demande donc une certaine prudence sur la valeur à rogner.

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D 5 -2/A

H C

B

D E P

H H'p

E'

G

P'

D

D T 402 A

G'

D'

0

Q'p

Qv

Q

En première approximation la caractéristique de hauteur pour un diamètre D' déduite point par point de la caractéristique pour le diamètre D par les formules suivantes :

D' 2 Q' ≈ [ ] D Q

D' 2 H' ≈[ ] D H

En fait, la démarche habituelle est de déterminer le rognage à effectuer à partir d'un point de fonctionnement désiré P', défini par une hauteur d'élévation H'P et un débit Q'P. La droite OP' coupe la courbe de hauteur de la roue, fournie par le constructeur, en P.

;yy; y;y;y;y;

Dans ce cas, le rapport des diamètres est en première approximation égal à : D' ≈ D

OP √ OP'

D T 027 A

Les formes recommandées pour le rognage de roues sont les suivantes :

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8

D 5 -2/A

b - Modification de la vitesse de rotation Un changement de la vitesse de rotation conduit à modifier la courbe caractéristique hauteur d'élévation-débit de la pompe suivant les règles suivantes :

H B1 C1

Courbe équirendement D1

B2 H1

n1

D2

D T 403 A

C2

H2

n2

Q2 Q1

Q1 n1 = Q2 n2

et

H 1  n1 2 =  H 2  n2

La variation de la vitesse permet de faire varier le débit sur une très large plage. L'investissement et l'exploitation d'un système de variation de vitesse ne se justifie cependant pas souvent sur un plan économique. c - Modification en fonction de la viscosité Les courbes données par le constructeur sont établies avec de l'eau, c’est-à-dire avec un liquide de viscosité de 1 cSt. Elles restent valables pour des liquides dont la viscosité est inférieure à 10 ou 20 cSt. Le graphique ci-dessous met en évidence la détérioration des caractéristiques de la pompe lorsque la viscosité du fluide augmente. Les coefficients correcteurs de débit (KQ), de rendement (Kη) et de hauteur (K H) permettent d’établir les caractéristiques de la pompe pour une viscosité donnée. La correction la plus importante est celle qui porte sur le rendement. Pour le cas étudié : Q = 170 m3/h, H = 30 m et ν = 200 cSt ; la correction est de 0,65 sur le rendement de la pompe. La perte de débit est de 5% (95% pour K Q) et la perte de H est de 8 % (KH = 92 %). L'augmentation de la viscosité d'un liquide s'accompagne généralement d'une augmentation de sa densité ce qui a pour conséquence d'augmenter la puissance sur l'arbre de la pompe et le déclenchement de la protection thermique du moteur électrique.

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D 5 -2/A — Extrait du "Standart of the Hydraulic Institute", New York, USA 1995 —

1,0 0,9

KH

0,8

0,6Q 0,8Q 1,0Q 1,2Q

0,7 1,0 0,9 0,8 KQ

0,7 0,6 0,5 0,4 — Centistokes — 60,5 6,25 11,8 16,5 21,2 33,4 45,2 76

114

152 228 350 610 915 1670 3190 190 304 456 760 1217 2280

Kη

— Hauteur de refoulement H en mètres —

0,3

200 150 100 80 60 40 30 25 20 15 10 8 6

20

420 300

30

40

50 60

80

100

2 2,5 3

150

200

4,5

6 8 10 15 20 30 50 80 120 220 25 40 60 100 160 Viscosité Engler 300

400 500 600

800 1000 1500 2000 — Débit Q en m3/h —

– Correction des caractéristiques d'une pompe centrifuge pour fluides visqueux – 01619_B_F

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D T 404 A

1,5

10

6-

D 5 -2/A

MISE EN PLACE D’UNE POMPE CENTRIFUGE SUR UN CIRCUIT P2 Vanne de régulation du débit ∆Pf

H1

H2

D T 405 A

P1

La pompe doit fournir au fluide une énergie suffisante pour vaincre : -

la variation de hauteur H2 - H1 = ∆H la variation de pression P2 - P1 = ∆P les pertes de charge dans la ligne ∆Pf

Les 2 premiers facteurs sont généralement constants, car liés au procédé et à l'installation. Les pertes de charge sont proportionnelles au carré du débit et dépendent de la position de la vanne de réglage.

Vanne

de +

n an

e

H

n or marc ma h le e

On peut représenter l'énergie demandée par le circuit, aussi appelée résistance du circuit, par une courbe ayant l’allure suivante :

en

+f V erm é

e

n

de gran e n Van rte ouve

D T 406 A

hf à Q pour position normale de vanne automatique

e

∆H +∆P en m Q Caractéristique du circuit

01619_B_F

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Qv

11

D 5 -2/A

Lorsqu'on superpose la courbe caractéristique de la pompe sur celle du circuit, on détermine un point de fonctionnement qui correspond à un débit identique de la pompe et du circuit ainsi qu'à une résistance de circuit égale à la hauteur fournie par la pompe. Le point de fonctionnement est donc l’intersection des caractéristiques du circuit et de la pompe.

Hauteur d'élévation H (Q = 0)

Point de fonctionnement nde

gra ne n a V erte ouv

D T 407 A

H

Qv

Débit maxi dans l'installation avec cette pompe

Débit volume

Lorsqu'on modifie la résistance du circuit, par exemple en fermant partiellement une vanne, le point de fonctionnement se déplace, ce qui modifie le débit passant dans l'installation. Aux positions limites on trouve : - dans la position vanne totalement ouverte : débit maximum de l’installation compte tenu de la pompe installée, - dans la position vanne totalement fermée : débit nul

7-

MARCHE EN SÉRIE - MARCHE EN PARALLÈLE Pour étudier le fonctionnement simultané de 2 pompes sur un même circuit, en série ou en parallèle, on les remplace par une pompe dite équivalente dont la caractéristique est issue des caractéristiques des 2 pompes de base. a - Marche en série Cette disposition se rencontre notamment : -

sur les pipelines où les stations de pompage sont réparties sur le circuit de charge de colonne à distiller composée généralement de 2 pompes en série sur les installations de pompage équipées d’une pompe “booster” servant à mettre sous pression l’aspiration de la pompe principale

L'énergie fournie par 2 pompes en série est la somme de l'énergie fournie par chacune d'elle. Le débit est le même pour les 2 pompes.

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12

D 5 -2/A

La caractéristique de la pompe équivalente à 2 pompes en série est la suivante: B

Pe

H

P1 + P2

P1 ou P2

A P2

P1 Courbe caractéristique du circuit

B

A

D T 408 A

Pe

P1 ou P2 seules

P1 + P2

Qv

b - Marche en parallèle Cette disposition est très courante car de nombreuses pompes sont doublées. Même si en principe elles ne fonctionnent pas simultanément, dans certaines phases d'exploitation cette marche en parallèle est utilisée : inversion de pompe, besoin de débit important. La différence de pression entre A et B est la même pour les 2 pompes. Le débit total est la somme du débit de chaque pompe. La caractéristique de la pompe équivalente à 2 pompes en parallèle est établie de la façon suivante. P1

H

A

B P2

Pe

=P 1 +P 2

P2

P1

D T 409 A

Pe

B

A

P1 P2 P1 + P2

Qv

L'exploitation de 2 pompes en parallèle est assez délicate et peut conduire à des incidents notamment dus à l'absence de débit dans l'une d'elles. Cette disposition exige des pompes dont les caractéristiques sont voisines mais aussi des circuits identiques entre les points A et B. Le risque est qu'une pompe fournisse plus d'énergie que l'autre, ce qui empêche cette dernière de débiter. La règle de base pour éviter tout incident est de ne pas faire tourner les 2 pompes si 1 seule est suffisante.

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13

8-

D 5 -2/A

DÉMARRAGE Le démarrage peut se faire localement par un opérateur ou de façon automatique. Des problèmes peuvent être générés au démarrage liés soit à un aspect électrique soit à un aspect hydraulique. a - Aspect électrique L'intensité du courant de démarrage d’un moteur électrique est de 5 à 7 fois l'intensité du courant nominal du moteur. On a donc intérêt lorsque cela est possible pour les gros moteurs à démarrer le plus rapidement, c’est-à-dire vanne de refoulement fermée pour les pompes centrifuges et vanne de refoulement ouverte pour les pompes hélicocentrifuge, afin d'éviter des chutes de tension et le déclenchement d'autres installations électriques sur les réseaux. b - Aspect hydraulique Démarrer vanne ouverte peut occasionner des coups de bélier préjudiciables à l’installation. Par contre démarrer vanne fermée peut rendre difficile la manoeuvre de la vanne (cas de forte pression différentielle sur une face de l’opercule). On démarre alors la pompe avec la vanne de refoulement fermée ou très légèrement décollée.

9-

LA CAVITATION a - La cavitation réelle La cavitation est un phénomène qui résulte de la formation de bulles de gaz (vaporisation) puis de leur implosion (condensation) au sein du liquide pompé. Elle s'accompagne d'un bruit très caractéristique (bruit de bétonnière), crée des vibrations à très haute fréquence et entraîne l'arrachement de particules de métal de la surface de l'impulseur. • Conditions de cavitation La vaporisation se produit si la pression dans le liquide est inférieure à sa tension de vapeur. L'entrée de l'impulseur est l'endroit où la pression est la plus faible donc où le risque de vaporisation est le plus grand. Pour éviter la vaporisation du liquide il faut que : Paspiration – NPSH > TV (Valeurs exprimées en unités homogène par exemple en mètre ou en bar absolu).

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14

Pa

D 5 -2/A

Zone de condensation (destruction de la surface de l'aube) Zone de vaporisation

P

Pa NPSH

D T 410 A

Pas de risque de vaporisation

TV

Tout ce qui tend à diminuer la pression d'aspiration ou à augmenter la température, rapproche le liquide de ses conditions de vaporisation. C'est le cas d'une baisse de niveau dans le ballon d'aspiration ou de l'augmentation de pertes de charge dans la ligne d'aspiration (vanne partiellement fermée, filtre encrassé). C'est aussi le cas d'un réchauffement (par le soleil généralement) de la ligne d'aspiration. L'augmentation du NPSH rapproche également la pompe de la cavitation ce qui arrive en augmentant le débit de la pompe ou en augmentant le jeu aux bagues d'usure. • Effet de cavitation -

sur le débit La formation des bulles de vapeur occasionne une diminution de la section de passage du liquide à l'entrée de la roue et par conséquent du débit. La caractéristique d'une pompe qui cavite décroche brutalement de la caractéristique initiale de la pompe. Le point de fonctionnement s’établit alors à un débit plus faible que s’il n’y avait pas cavitation

H

N P SH

Caractéristique H - Q avec cavitation Q

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D T 411 A

Caractéristique H - Q sans cavitation

15

-

D 5 -2/A

sur la roue Les bulles sont entraînées par le liquide mais la pression augmentant, elles ne peuvent plus exister car la pression est alors supérieure à la tension de vapeur. Il y a alors implosion de ces bulles. Cette implosion est particulièrement destructrice et arrive à arracher des particules de matière de l'impulseur.

-

sur le niveau vibratoire Le mauvais remplissage des canaux par le liquide crée des balourds, dits hydrauliques, qui génèrent des vibrations et des efforts sur les paliers.

b - La cavitation apparente On appelle "cavitation apparente" un dégazage de l'air ou du gaz dissout dans le liquide. Ce dégazage se produit dès que la pression baisse. C'est le cas à l'entrée de la roue. Les effets de cette cavitation apparente ressemblent à ceux de la cavitation dite réelle vu précédemment, c'est-à-dire diminution du débit et bruit caractéristique mais en diffère en particulier par le risque augmenté de désamorçage de la pompe et par un effet un peu moins destructeur du phénomène. La cavitation apparente est particulièrement sensible sur les pompes à eau recirculée (tour de réfrigération) et sur toutes les pompes qui aspirent des liquides en contact avec de l'air.

D T 412 A

P< Patm

Aspiration en puits

Aspiration dans un bassin

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16

D 5 -2/A

Tout liquide, en contact avec un gaz, dissout une certaine quantité de ce gaz. Par exemple un mètre cube d'essence à 20°C peut contenir jusqu'à 220 litres d'air (pris à 20°C et 1 atm). Lorsqu'un mètre cube d'eau passe de 1 atmosphère à 20°C à un vide de 0,2 atmosphère, 80 litres d'air (à 0,2 atm) peuvent être libérés. On voit dans le cas d'une aspiration en puits que la dépression qui existe à l'aspiration de la pompe occasionne un dégazage de l'eau. Compte tenu d'une pression inférieure à la pression atmosphérique le volume occupé par l'air peut prendre jusqu'à 10 ou 20 %. La pompe peut alors désamorcer. On peut aussi remarquer qu'une fuite d'air même minime (joint de tuyauterie, garnitures d'étanchéité,...) prend une grande place dans la pompe : si la pression à l'aspiration de la pompe est de 0,2 bar, l'air introduit se dilate 5 fois. Une entrée d'un litre d'air donne 5 litres à l'entrée de la pompe (et même plus à l'entrée de l'impulseur). Dans le cas d'aspiration dans un bassin, le dégazage est dû au NPSH. La pompe dans ce cas cavite avec bruit mais conserve en général une bonne fiabilité.

III - TYPES DE POMPES CENTRIFUGES ET EFFORTS DUS À L'HYDRAULIQUE 1-

PRINCIPAUX TYPES DE POMPES CENTRIFUGES a - Pompes process à aspiration axiale — Élévation — Refoulement

— Vue de gauche — Tubulure de refoulement Corps de palier Niveau de la fixation sur le socle

Aspiration Volute

— Élévation —

— Vue de gauche — Tubulure de refoulement Axe de rotation

Aspiration Chassis

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Patte d'appui

D T 413 A

Refoulement

socle

17

D 5 -2/A

b - Pompes process à tubulures verticales et parallèles dites "Top Top" — Élévation — Joint radial

— Vue de gauche — Tubulure Tubulure d'aspiration de refoulement

Socle

Corps de palier

Risque de vaporisation au point haut

Refoulement

Refoulement

Aspiration Ligne d'aspiration

D T 414 A

Aspiration

Aspiration par une ligne au sol — a • Disposition normale —

— b • Variante —

c - pompes “in-line”

Joint radial

Aspiration

Refoulement

Moteur électrique

Aspiration

Filtre à huile

Pompes

Différents types de pompes "in line"

01619_B_F

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D T 425 A

Démultiplicateur

18

D 5 -2/A

yy ;; ; y ; y ;;y;y; yy D T 426 A

Supports

Possibilité d'installation d'une pompe "in line" à joint radial

d - Pompes multicellulaires horizontales

Refoulement

Aspiration

Palier

Palier

D T 427 A

Plan de supportage

Pompe multicellullaire à joint radial Canal de liaison

Aspiration Aspiration

Refoulement Pompe multicellulaire à joint axial

01619_B_F

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Refoulement

D T 415 A

Joint axial horizontal

19

D 5 -2/A

e - Pompes verticales

Moteur électrique

Refoulement

yyy ;;; ;;; yyy

Arbre de la pompe

Corps de pompe

H

Aspiration

Barrel extérieur ou Cuve de charge Niveau réel d'aspiration 1ére roue

Ouïe d'aspiration

Pompe verticale "de pied"

Pompe verticale à barrel extérieur (ou à cuvelage)

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D T 416 A

Tubulure de refoulement

20

2-

D 5 -2/A

EFFORTS DUS À L'HYDRAULIQUE DANS LES POMPES a - Poussée axiale La roue représentée ci-dessous est soumise aux pressions suivantes : -

pression de refoulement Pr au dos de la roue pression d'aspiration sur l'ouïe de la roue Pa pression P r sur l'avant de la roue à l'extérieur de l'ouïe

Les forces créées sur les surfaces extérieures à S1 s'équilibrent (même surface, même pression) donc la résultante des forces dues aux pressions est égale à : R A = (S1 – S2 ) Pr – S1 Pa

;;; ;yy;y;y;yyy ;; yy yyy ; y ;; ;; yy y;yy ;; R A = S1 (P r – Pa ) – S2 P r

Application

S1 = 113 cm2

Diamètre en mm

RA

∅ 40 mm S2 = 13 cm2

Pa = 0,2 bar

D T 417 A

∅ 120

∅ 220

S3 = 380 cm2

Pr = 6 bars

Il est pratiquement toujours prévu un système qui diminue la poussée axiale. Ce système dit d'équilibrage est intégré à la roue dans les pompes monocellulaires (ailettes de dos ou chambre) ou associés à la pompe dans le cas des multicellulaires.

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21

D 5 -2/A

yy;yyy ;; yy ;;; ;yyy ;; yy ;; ;; yy ;; yy ;;; y;yyy ;; yy y ; ;; yy ;;; y;yyy ;; yy ;; yy

• Ailettes de dos

La pression au dos de la roue est réduite au moyen d'ailettes.

R A = (S3 – S 2 ) PM dos – (S3 – S1 ) Pr – S1 P a Application

En reprenant les valeurs du cas précédent et pour une pression moyenne de dos de : P = 4,5 bars

D T 417 B

RA =

Que devient cette poussée axiale si la pression de dos moyenne est égale à 5 bars ?

La présence de ces ailettes absorbe de l'énergie d'où diminution du rendement pour un gain appréciable de la force axiale. Pi

Pd1

Dans ce cas on réduit la pression de dos en plaçant une chambre sur le dos de l'impulseur à une pression proche de la pression d'aspiration.

Une bague de dos et des trous d'équilibrage sont alors prévus. Par ce moyen on maintient dans le dos de la roue une pression proche de la pression d’aspiration et on limite le débit de recyclage par les bagues de dos.

Pd2

Pa

Application

La pression Pd2 est légèrement plus élevée que Pa par exemple dans ce cas Pd2 = 0,6 bar RA =

Que devient cette poussée axiale si la pression dans la chambre ……… ? La circulation du liquide crée une fuite interne d'où la diminution du rendement.

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D T 418 A

• Chambre d'équilibrage

22

D 5 -2/A

• Plateau d'équilibrage (ou disque) pour pompes multicellulaires Un disque fixé sur l’arbre tourne en appui sur un contre-disque fixé sur le corps de la pompe. Cet équipement positionne le rotor par rapport au stator.

D T 419 A

La pression de refoulement écarte les 2 disques, ce qui crée une fuite et une baisse de pression. Les disques de rapprochent et se stabilisent à quelques dixièmes de mm d'écartement. Le rotor doit rester libre de se déplacer axialement d'où l'absence de butée et l'utilisation de roulements à rouleaux cylindriques ou de paliers lisses.

Le laminage constant du liquide entre les plateaux crée une usure qui devient dangereuse si le déplacement occasionné par l'usure entraînait un frottement des roues dans les volutes. Afin de supprimer ce risque de telles pompes sont souvent équipées en bout d'arbre et d’un repère d'usure. Ce système qui permet des efforts axiaux importants est surtout utilisé sur des pompes multicellulaires horizontales ( petites et moyennes pompes alimentaires). • Piston d'équilibrage pour pompes multicellulaires

yyyy ;;;; ;; yy ; y ;;;; yyyy ;; y;yy yy ;; ;; yy

On soumet un piston ou tambour à la pression de refoulement sur une face, à la pression d'aspiration sur l'autre. La résultante des forces sur le piston est en opposition avec la résultante de la roue et à peu près de même valeur pour un diamètre identique à celui des bagues d'usure.

Vers aspiration

Pression # Pr

D T 420 A

Pression # Pa

Ce système ne permet pas d'avoir un positionnement de l'arbre, un roulement spécifique doit assurer le rôle de la butée pour encaisser la force axiale résiduelle.

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23

D 5 -2/A

b - Force radiale En fonctionnement au rendement maximum la roue et la volute sont étudiées par le constructeur pour que les forces de pression agissant radialement sur la roue donnent une résultante nulle. Dans ce cas, la pression est la même sur toute la périphérie de la roue.

1 C

2

;y

Flexion D T 422 A

A

À faible débit la pression de refoulement est plus élevée qu'au débit nominal et la répartition de la pression est croissante de A à C. On a donc une résultante à l'opposé des fortes pressions (direction 1). Inversement à fort débit la résultante est orientée vers 2. La force radiale peut être estimée par la formule suivante : P = 0,36 x 10–3 x H x D2 x l2 x d P H D2

l2

Q d

= = = = = =

Q [ 1 – ( Qnom ) 2]

poussée radiale en daN hauteur d'élévation en m diamètre extérieur en mm largeur de la roue en mm débit réel densité du liquide

Application Tracer la force radiale en reprenant l'exemple précédent avec : d = 0,8 -

détermination de H

-

calcul de P

l2 = 2,5 cm

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24

•

pour Q = 0,5 Qnom

•

pour Q = 0

D 5 -2/A

F rad 150

100

D T 428 A

50

10 0

0,5 QN

QN

Variation de la force radiale en fonction du débit Pour diminuer cette force radiale les constructeurs conçoivent des volutes doubles (volute séparée par une lame ou des diffuseurs).

Roue Diffuseur

Volute double

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D T 423 A

Roue

25

3-

D 5 -2/A

INFLUENCE DU JEU AUX BAGUES D'USURE ET AUX AILETTES DE DOS Pour compenser l'effort axial sur l'impulseur les pompes sont équipées de bagues d'usure de dos ou d'ailettes de décharge. Leur jeu interne influence le fonctionnement de la pompe. Bagues d'usure La modification du jeu des bagues entraîne : -

une recirculation plus importante par les trous d'équilibrage une circulation plus importante dans l'impulseur avec pour conséquence : • •

un accroissement du débit passant dans l'impulseur pour un même débit "utile" de la pompe une augmentation de la pression d’équilibrage au dos des impulseurs équilibrés avec une chambre

Ces effets entraînent : -

une augmentation du NPSH et donc du risque de cavitation une augmentation de la poussée axiale avec réduction de la durée de vie des roulements

Pour ces raisons les tables de jeu préconisés par l'API sont importantes à respecter. • Jeux aux bagues d'usure Le graphique ci-dessous représente les valeurs de jeu aux bagues à respecter selon l'API. jeu en mm au Ø °C T < 380

0,7

°C T < 280 °C T < 180

0,6 0,5

API 610

0,4 0,3

Tolérance sur les jeux

-0 + 0,1

0,2

0

D T 2265 A

0,1 20

60

100

140

180

220

260 300 Ø en mm

• Valeur des fuites internes Le débit de fuite dans les bagues d'usure est souvent calculé par la formule suivante : Q =

J/2

 √

L +1 . π.d. √  2g ∆H 50 . J

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en m et m3/s

26

D 5 -2/A

On peut calculer ces fuites dans différents cas de pompe. Cas 1

N = 3000 tr/min ∅bagues = 120 mm Jeu API de 0,40 mm

Q = 100 m3/h L = 15 mm

H = 100 m

Débit de fuite à chaque bague 9,2 m3/h Compte tenu de la présence de 2 bagues, la fuite totale interne est de l’ordre de 18 % du débit de la pompe. Cas 2

N = 1500 tr/min ∅bagues = 200 mm Jeu API de 0,45 mm

Q = 200 m3/h L = 15 mm

H = 25 m

Débit de fuite à chaque bague 8,8 m3/h Compte tenu de la présence de 2 bagues la fuite totale interne représente ici moins de 9 % du débit total. • Modification minimale du NPSH En considérant le NPSH proportionnel au carré du débit on peut estimer que pour le même débit de la pompe : -

cas 1 : le NPSH est augmenté de 1,182 soit de l’ordre de 40 %. Un NPSH initial de 4 m devient donc égal à 5,6 m

-

cas 2 : le NPSH est augmenté de 1,0882 soit de l’ordre de 18 %. Un NPSH initial de 2,5 m devient donc 2,9 m

On se rend compte tant sur le plan du débit que sur celui du NPSH, que l’augmentation du jeu aux bagues a un effet très important sur les pompes à faible débit et grande hauteur. On s’attache donc sur ces machines à respecter les jeux préconisés. Dans le cas de pompes à grand débit et faible hauteur, ces jeux ont beaucoup moins d’influence sur le fonctionnement de la pompe. Ailettes de dos La taille et la distance entre ailettes et plateau influencent l'équilibrage de la poussée axiale. Il semble que le jeu de dos n'ait qu'un effet réduit sur la poussée. Néanmoins, les constructeurs demandent de respecter ce jeu et permettent le réglage grâce au calage du palier, éventuellement par l’intermédiaire d’un boîtier. Piston d'équilibrage L'augmentation des fuites au piston d'équilibrage entraîne une augmentation de la poussée axiale par une augmentation de la pression d’équilibrage qui agit sur le piston. Un effet particulièrement dangereux pour ces pompes est le bouchage de la ligne d'équilibrage qui recycle la fuite du piston vers l'aspiration. Ce bouchage provient par exemple d'un mauvais réchauffage de la ligne par temps froid avec un produit visqueux ou de dépôts qui s'accumulent dans un coude ou dans un accessoire de la ligne (prise de pression, raccord).

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27

4-

D 5 -2/A

EFFET DES FORCES HYDRAULIQUES SUR LA FIABILITÉ DE LA POMPE Les forces hydrauliques génèrent des contraintes sur les éléments de la pompe qui en réduisent la durée de vie. C’est le cas des roulements mais aussi de l’arbre qui tend à fléchir et donc à se fatiguer et éventuellement casser, à mettre la garniture dans de mauvaises conditions de fonctionnement et à faire toucher les bagues d’usure. Seul l’effet sur les roulements est regardé dans la suite de ce chapitre.

D T 074 B

Lorsque les forces hydrauliques qui s’appliquent sur l’impulseur augmentent, les paliers et butées encaissent des efforts plus importants et leur durée de vie diminue.

Dans le cas d’une pompe en porte à faux, la réaction de volute entraîne une augmentation des efforts radiaux sur les roulements et principalement sur le roulement côté impulseur. Sur ce roulement, la charge est d’autant plus grande que le porte à faux est important. L’effort axial se répercute en totalité sur la butée. Sur une telle pompe : -

l’usure prématurée du roulement de guidage côté impulseur peut signifier que la réaction de volute est trop forte, situation qui se produit lorsque le débit de la pompe est très éloigné du débit nominal

-

l’usure du roulement de butée a pour origine l’augmentation de la poussée axiale et donc lorsque la différentielle de pression dans la pompe est plus élevée donc à bas débit et avec une densité élevée et lorsque le jeu au bagues augmente

La durée de vie des roulements est très influencée par la charge puisque doubler la charge réduit la durée de vie du roulement de 8. Ainsi, un roulement calculé pour 4 ans de marche ne tient plus que 6 mois avec la charge radiale doublée. Dans le cas de pompes sur 2 paliers, l’effort radial se répartit presque identiquement sur les 2 paliers. L’effet st donc beaucoup moins important que pour une pompe en porte à faux.

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28

D 5 -2/A

IV - CIRCUITS AUXILIAIRES Les pompes centrifuges peuvent être équipées d'un certain nombre de circuits auxiliaires.

1-

LES CIRCUITS DE PURGE ET D'ÉVENT Afin de remplir la pompe de produit avant le démarrage, il est prévu une ou plusieurs lignes d'évent allant à l'égout pour la plupart des liquides, à la torche pour les GPL, retournant dans le récipient d’aspiration par une ligne d'équilibre pour les pompes de tour sous vide ou les pompes GPL. Pour vider la pompe, notamment en vue de travaux, des purges sont montées au point bas et sont généralement reliées à l'égout ou à la torche (GPL). Des lignes allant vers des colonnes d'abattage ou des stockages peuvent aussi équiper certaines pompes “chimie”.

Vers égout d'eau huileuse

2-

Purge du corps de pompe Récupération des égouttures Évent du corps de pompe

D T 711 A

Raccordement au réservoir (cas de pompe sous vide) ou vers torche (pompe de gaz liquéfié)

LES CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT La température du produit pompé conditionne la température du corps de garniture, du corps de palier et du socle de la pompe. Le maintien de températures trop élevées peut entraîner des détériorations : • de la garniture en vaporisant le produit se trouvant sur les faces de friction ou en détériorant les joints toriques ; • des roulements en maintenant l'huile à une température trop élevée ; • de la garniture et des roulements par les vibrations qu'entraînerait un délignage de l'accouplement causé par une dilatation trop importante du socle. Pour ces différentes raisons on est obligé de refroidir ces parties de la pompe généralement avec de l'eau.

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29

Eau

de

D 5 -2/A 'eau age d ération l c y c Re ur réfrig o vers t

refr oid is

sem ent

oidis e refr

nt

seme

D T 712 B

D T 712 A

Eau d

Refroidissement des socles

Refroidissement du palier

Eau d

e re

froid

ess

D T 712 C

Vers pou collecte r u vers recycla r tour ge d réfri 'eau géra tion

Refroidissement du corps de garniture

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eme

nt

30

3-

D 5 -2/A

ARROSAGE DE LA GARNITURE (FLUSHING) ET QUENCH Comme nous l'avons vu lors de l'étude des garnitures, il est très courant de trouver un piquage pris sur le refoulement pour arroser la garniture avec le liquide pompé. Dans certains cas la circulation est assurée par une tuyauterie reliée à l'aspiration de la pompe. a Sépar

teur cy

r Retou ge de Arrosa ure it la garn

clone

ers lage v c y c e R la tour n tio rigéra de réf

iration à l'asp ge de Arrosa ure it la garn

au Prise ent m refoule r u le Contrô it de déb

au Prise ent m le refou ôleur r t n o C it de déb t de Voyan n tio circula

Purge au

n en e

tatio Alimen D T 713 A

Limiteur de débit et cyclone sur flushing

Refroidissement et limiteur de débit du flushing

Réglage vapeur quench

Quench :

D T 712 D

La pression de la vapeur de quench entre le grain et la bague de lamimage permet de réduire une fuite importante de la garniture. Elle permet en outre une dilution du produit ce qui diminue les risques d'inflammation et d'explosion.

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D T 713 A

érant

Réfrig

31

D 5 -2/A

b - Exemple d'auxiliaire sur une pompe verticale in line

Alimentation "Quench" en eau ou en vapeur

Alimentation "Quench" en eau ou en vapeur

Sortie réfrigération de la chambre à garniture

Sortie réfrigération de la chambre à garniture

Entrée réfrigération de la chambre à garniture

Entrée réfrigération de la chambre à garniture Sortie des égouttures

Arrosage garniture simple ou tresse

Évent du corps

Refoulement

Aspiration

Évent du corps

Purge du corps

D T 714 A

Sortie des égouttures

Purge du corps

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D 5 -2/A ENVIRONNEMENT D'UNE POMPE CENTRIFUGE EN UNITÉ

— Planche n°0 —

Depuis pipe rack

Vers pipe rack

Vanne de sectionnement aspiration Ligne de refoulement Vanne de sectionnement refoulement

Filtre Ligne d'évent Manomètre 15

12 1

bar 0

bar

24

8

27

2

18

9

21 1,5

0,5

3

15

12 18

9 8

Clapet anti-retour

1

21 1,5

0,5

3 bar

30

0

bar

24 27

2 30

Ligne d'aspiration

Divergent Manomètre Volute Patte d'appui

Contacteur moteur

Béquille

Égout eau huileuse

Pompe

Accouplement

Groupe de pompage

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D T 309 C

Réduction excentrée Ligne de purge Purge du larmier

Moteur Châssis électrique

Aspiration

Bagues d'étanchéité avant

Corps de pompe

Impulseur

Bouchon de purge

Double volute

Refoulement

Corps de garniture

Chemise de garniture

Garniture mécanique

Bagues d'étanchéité arrière

Joint de corps

Labyrinthes d'étanchéité

Corps de palier Anneau de lubrification

Roulements

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— Planche n°1 —

API 610

POMPE CENTRIFUGE MONOCELLULAIRE — en porte à faux—

Arbre

Roulement

D 5 -2/A

D T 424 A

Ventilateur

Corps de palier

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Roulements de guidage et de butée

Arbre

— Planche n°2 —

Corps de garniture

Roulement de guidage

Bagues de remontée d'huile

POMPE CENTRIFUGE MONOCELLULAIRE — Roue en porte à faux —

Bague de fond

REFOULEMENT

Bague d'usure de corps

Bague d'usure de roue

Corps de pompe

Impulseur

ASPIRATION

D 5 -2/A

D T 1300 A

Butée

Refroidissement du palier butée

ASPIRATION

Joint de Refroidissement corps radial du corps de la garniture

Arrosage de la garniture flushing

— Planche n°3 —

POMPE CENTRIFUGE PROCESS — À plan de joint radial - Roue à 2 ouïes —

01619_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Bagues d'étanchéité

D'après document ENSIVAL

Palier côté accouplement

Refroidissement du palier de guidage

Arrosage de la garniture flushing

D 5 -2/A

D T 160 B

D 5 -2/A POMPE "IN LINE" — à joint radial — — Planche n°4 —

Utilisation : • services généraux • transfert • expédition Le guidage de la pivoterie est assuré par les paliers et la butée du moteur électrique

Quench Refroidissement du corps de garniture

Arbre moteur prolongé

D'après document Guinard 01619_B_F

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D T 714 B

Arrosage garniture (flushing)

Arbre d'entrée

Filtre Impulseur avec hélice de gavage

01619_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Impulseur

Arbre de pompe

Arbre intermédiaire

Pompe à huile

POMPE "IN LINE" — Haute vitesse —

Pompe

Multiplicateur

Moteur

— Planche n°5 —

D'après document SUNDYNE corporation

D 5 -2/A

D T 162 B

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Palier

POMPE "IN LINE" — Joint axial, roue à 2 ouïes —

— Planche n°6 —

Butée

Garniture mécanique

Flushing

Garniture mécanique

Impulseur

Palier

D 5 -2/A

D T 163 B

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Refroidissement du corps de palier

Palier butée

— Planche n°7 —

Ligne d'équilibre (vers aspiration)

Refroidissement du corps de garniture

POMPE CENTRIFUGE 2 ROUES — Plan de joint radial conforme API —

2

REFOULEMENT

1

Refroidissement du corps de garniture

ASPIRATION

Refroidissement du corps de palier

Palier

D 5 -2/A

D T 2268 A

Palier butée

Emplacement pour garniture mécanique

Ligne d'équilibrage

Piston d'équilibrage

— Planche n°8 —

Bride de refoulement

POMPE CENTRIFUGE MULTICELLULAIRE — Plan de joint horizontal conforme API 610-8eme —

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 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training ASPIRATION

Palier

Origine : Textron Guinard Type DVMX

Bride d'aspiration

Emplacement pour garniture mécanique

D 5 -2/A

01619_B_F

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Arbre

Palier à roulement

Garniture à tresses

Corps d’aspiration

— Planche n°9 —

Aspiration

Diffuseur

Roue centrifuge

Tirants de fixation du corps de pompe

Document GUINARD/KSB

Corps de refoulement

Disque d’équilibrage

D T 715 A

POMPE MULTICELLULAIRE — Joint radial et disque d'équilibrage —

Refoulement

D 5 -2/A

D 5 -2/A POMPE VERTICALE DE PIED — Planche n°10 —

Palier supérieur butée

Palier de guidage Déflecteur Garniture à tresses

Palier lisse inférieur Impulseur

D T 166 A

Crépine

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D 5 -2/A POMPE VERTICALE — À barrel extérieur — — Planche n°11 — Palier supérieur butée Garniture mécanique

Barrel extérieur/cuvelage

Arbre

Impulseurs

Palier inférieur

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D T 156 B

Plan de référence

01619_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Impulseur vortex

Volute à section constante

— Planche n°12 —

POMPE HYDRAULIQUE VORTEX

• La roue est en retrait du corps et tourne dans un liquide "centrifugé" • Les pompes de procédé monoétagées peuvent être équipées de cette hydraulique

Utilisation : Liquides chargés Pompage de cristaux fragiles

D 5 -2/A

D T 1418 A

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Insert métallique

Impulseur avec ailette de dos

— Planche n°13 — Normalisée ISO 2858

Garniture mécanique

Réalisée en PVDF ou PP ou PE

POMPE HORIZONTALE — Pour produits chimiques —

D'après doc CEPIC

D 5 -2/A

D T 1455 A

01619_B_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Stator moteur (peut être rempli d'huile)

Chemise étanche

Sonde thermique

Corps du moteur

Détecteur d'usure axiale

Passage du câble

Impulseur

Palier avant

Rotor du moteur électrique et de la pompe (arbre creux)

Vase d'expansion (si moteur rempli d'huile)

— Planche n°14 —

POMPE SANS GARNITURE — À rotor noyé —

D 5 -2/A

D T 1301 D

01619_B_F

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Circuits de lubrification et de refroidissement

Paliers lisses

Butées Aimants menés

Aimants menants Couvercle d'étanchéité

— Planche n°15 —

Température de service admissible de – 10°C jusqu'à 250°C

D T 1302 D

Impulseur

POMPE À ENTRAÎNEMENT MAGNÉTIQUE — À aimants permanents —

D 5 -2/A

01619_B_F

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Joint de grain Stationary ring "O ring"

Joint de chapeau Flange "O ring"

Joint de coupelle dit "pseudostatique" Rotary ring "O ring"

Joint de chemise Sleeve "O ring"

Chemise Sleeve

Ressort (pression + entraînement) Spring (pressure and driving)

Entrée de l'arrosage Flushing

Origine FLEXIBOX

Coupelle Rotary ring

Bague de laminage Bushing

Grain Stationary ring

— Planche n°16 —

D T 821 C

GARNITURE MÉCANIQUE SIMPLE MECHANICAL SEAL

D 5 -2/A

Risques et Précautions liés au Matériel

POMPES

D5

POMPES VOLUMÉTRIQUES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - POMPES VOLUMÉTRIQUES ROTATIVES.............................................................................. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

Pompes à vis................................................................................................................................ 1 Pompes à engrenages .................................................................................................................2 Pompes à piston rotatif.................................................................................................................3 Paramètres influent sur le débit ...................................................................................................3 Capacité d’aspiration.................................................................................................................... 5 Puissance absorbée .....................................................................................................................5 Conditions de bon fonctionnement...............................................................................................5 Pulsations .....................................................................................................................................6 Principaux incidents dans l’exploitation des pompes volumétriques rotatives ............................. 8

II - POMPES VOLUMÉTRIQUES ALTERNATIVES ....................................................................... 9 1 2 3 4 5

-

Pompes à piston...........................................................................................................................9 Pompes à membranes ...............................................................................................................10 Caractéristiques de fonctionnement d’une pompe volumétrique alternative à simple effet ....... 10 Régulation du débit .................................................................................................................... 13 Principaux incidents dans l’exploitation des pompes volumétriques alternatives....................... 14

PLANCHES Planche n°1 : POMPE À 2 VIS À PALIERS INTERNES Planche n°2 : POMPE À VIS NON ENGRENANTES À PALIERS EXTERNES Planche n°3 : POMPE À 3 VIS Planche n°4 : POMPE À ENGRENAGES INTÉRIEURS Planche n°5 : POMPE À ROTOR HÉLICOÏDAL EXCENTRÉ Planche n°6 : POMPE À PISTON ROTATIF Planche n°7 : POMPE TRIPLEX À 3 PISTONS PLONGEURS SIMPLE EFFET Planche n°8 : POMPE DOSEUSE À MEMBRANE

MT POM - 01621_C_F - Rév. 3

Ce document comporte 24 pages

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25/07/2005

-2/C

1

D 5 -2/C

Les pompes volumétriques sont constituées d’un volume hermétiquement clos (corps de pompe) à l’intérieur duquel se déplace un élément mobile engendrant soit une dépression à l’aspiration, soit l’impulsion nécessaire au refoulement afin de vaincre la contre-pression régnant à l’aval de la pompe, soit enfin l’une et l’autre de ces fonctions et permettant ainsi le transfert d’un volume de liquide, de viscosité plus ou moins importante, depuis l’aspiration vers le refoulement. Le fluide véhiculé étant incompressible, ces pompes sont toujours équipées d’un dispositif de sécurité d’excès de pression associé. Les pompes volumétriques sont caractérisées par une grande diversité d’emploi et une grande variété de réalisations technologiques. On se limitera ici, à la présentation de quelques types de ces deux grandes familles de machines tournantes : -

I-

les pompes volumétriques rotatives les pompes volumétriques alternatives

POMPES VOLUMÉTRIQUES ROTATIVES 1-

POMPES À VIS Elles sont constituées de deux ou trois vis s’engrenant entre elles. Le liquide remplit les cavités qui existent entre les vis et le corps. Pendant la rotation des vis, les cavités se déplacent transférant ainsi du liquide de la zone d’aspiration vers la zone de refoulement. Ce type de pompe volumétrique admet une vitesse de rotation élevée (3000 t/mn) ; elles sont silencieuses et permettent d’atteindre des pressions assez élevées (≈ 100 bar). Elles ne véhiculent que des liquides à bon pouvoir de lubrification et ne contenant pas de particules abrasives. Divers types existent : a - Pompes à deux vis à engrènement direct (planche n°1) Les deux vis à filets très inclinés s’engrènent directement dans un carter. Une seule des deux vis est solidaire de l’arbre moteur et entraîne la deuxième par contact direct. Les paliers sont lubrifiés par le liquide véhiculé. Les fuites internes sont relativement faibles, mais le produit pompé doit posséder un excellent pouvoir lubrifiant et être non corrosif ainsi que très peu chargé de particules abrasives. Elles sont utilisées sur les produits visqueux (fuel). b - Pompes à deux vis à engrenages de synchronisation (planche n°2) La vis solidaire de l’arbre moteur entraîne la seconde par l’intermédiaire d’un ensemble d’engrenages de synchronisation. Les deux vis permettent un jeu entre elles et ne sont pas en contact direct. Les engrenages et les paliers peuvent être en contact direct avec le liquide. Dans ce cas, une seule garniture d’étanchéité est nécessaire. Si le produit n’est pas assez lubrifiant ou s’il est chargé, les engrenages et les paliers sont isolés du liquide mais nécessitent un ensemble de quatre garnitures d’étanchéité. Il est à noter que les fuites internes sont plus importantes et provoquent une ∆P possible, ainsi qu’un rendement, plus faible. Il est à remarquer que sur les pompes à deux vis, les filets sont symétriques, afin de limiter au maximum l’effet des poussées axiales. c - Pompes à trois vis (planche n°3) La partie hydraulique de cette pompe est constituée de trois vis dont une seule est solidaire de l’arbre moteur. Les deux autres vis sont entraînées par frottement grâce à la vis centrale. Les vis sont à un seul filet et il est nécessaire d’équilibrer la poussée axiale résultante à l’aide d’un dispositif de compensation.

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D 5 -2/C

2

2-

POMPES À ENGRENAGES a - Pompe à engrenages extérieurs Il existe un grand nombre de variantes de ce type de pompes, elles diffèrent entre elles par la disposition et la forme des dentures. Le liquide à véhiculer est aspiré dans l’espace compris entre deux dents consécutives et le corps de la pompe. L’étanchéité entre l’aspiration et le refoulement est assurée par un contact entre les dents en prise. Les dentures peuvent être droites, hélicoïdales, ou encore à chevrons. Cette dernière possibilité présentant l’avantage de rendre le mouvement plus uniforme. Ce type de pompes admet une vitesse de rotation de 2000 à 3000 tr/min ; elles sont relativement silencieuses et permettent d’atteindre des pressions de l’ordre de 20 à 50 bar. Elles sont équipées de quatre paliers, et de un à quatre boîtiers d’étanchéité. Elles ne tolèrent pas le passage de particules solides sans risque de destruction totale.

Sens de rotation Presse étoupe

Engrenage menant

REFOULEMENT

Arbre d'entraînement Engrenage mené Élévation

D T 1364 A

ASPIRATION

Coupe Pompe à engrenages à denture droite

b - Pompes à engrenages intérieurs (planche n°4) Le principe de fonctionnement de ce type de pompe consiste à placer un des engrenages à l’intérieur de l’autre. Cette disposition nécessite l’utilisation d’une pièce intermédiaire, placée entre les engrenages et solidaire du corps de pompe, en forme de croissant afin d’assurer l’étanchéité entre l’aspiration et le refoulement. Cette disposition permet de n’avoir qu’un seul boîtier d’étanchéité, mais le porte à faux génère une surcharge sur l’arbre. Le débit est pratiquement régulier et indépendant de la différentielle de pression, laquelle peut atteindre 15 à 20 bar. Les vitesses de rotation de ce type de pompe sont de l’ordre de quelques centaines de tours à la minute, mais elles peuvent véhiculer des produits de très grande viscosité (≈ 10 000 cSt). De plus, elles sont caractérisées par une valeur de très bas NPSH R. La présence de particules solides entraîne également sa destruction irrémédiable.

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c - Pompes à rotor hélicoïdal excentré (planche n°5) Elles sont constituées de deux engrenages hélicoïdaux : le premier, le rotor, tournant à l’intérieur du second, le stator. Le rotor est un engrenage externe à une dent, le stator un engrenage interne à deux dents. La différence d’une dent, entre le stator et le rotor, crée des cavités qui se meuvent parallèlement à l’axe du stator et véhiculent ainsi le produit pompé. Les pressions au refoulement sont de l’ordre de 20 à 30 bar. Ces pompes peuvent véhiculer des produits très visqueux, chargés en particules solides, mais ne doivent en aucun cas tourner à sec (le rotor est en acier, le stator en caoutchouc). Le coût d’entretien est souvent important. Elles sont connues sous le nom commercial de “pompe Moineau ou pompe P.C.M.”.

3-

POMPES À PISTON ROTATIF (planche n°6) Ce type de pompe est constitué d’un rotor (piston) dont l’axe géométrique ne coïncide pas avec l’axe de rotation. Ce rotor reste constamment tangent au corps de pompe et partage l’intérieur de ce corps en cavités, dont les unes communiquent avec l’aspiration, les autres avec le refoulement. Les volumes de ces cavités sont variables et ces variations provoquent le transfert du liquide. Ce type de pompe admet le passage de particules solides. Le débit est légèrement pulsé et leur vitesse de rotation limitée. Elles sont connues sous le nom commercial de “Pompe Mouvex”.

4-

PARAMÈTRES INFLUANT SUR LE DÉBIT a - La vitesse de rotation N Vitesse de rotation

qu e

D T 1385 B

Co

urb

et

hé

Co

ori

urb

er

ée lle

Débit de fuite interne

Débit volume Q A priori, le débit véhiculé par ce type de pompe est proportionnel à la vitesse de rotation. À vitesse fixe, le débit théorique est constant. Les fuites internes, qui existent sur ce type de pompe, créent un décalage entre le débit théorique et le débit réel. Pour minimiser l’influence des fuites internes, il y a intérêt à faire tourner la pompe le plus vite possible, mais on est limité d’une part par la tenue mécanique et les frottements, d’autre part, par les problèmes de capacité d’aspiration. 01621_C_F

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b - La pression Lorsque la ∆P entre aspiration et refoulement augmente, la fuite au travers des jeux internes augmente et le débit peut alors diminuer de façon sensible.

Débit de fuite

P

D T 1386 B

Tarage soupape sécurité pression

Débit volume Q

c - La viscosité La viscosité du produit s’oppose au recyclage interne. L’effet combiné de la pression et de la viscosité est représenté par un réseau de courbes comme le montrent les schémas ci-dessous. Débit de fuite P

ité coc ante s i V oiss r déc

D T 1387 B

Eau

Huile

Fuel

lourd

Tarage soupape sécurité pression

Débit de fuite

P

Q

Pour une vitesse de rotation donnée, le débit théorique est amputé d’une fuite interne qui croît avec la ∆P et décroît avec la viscosité.

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5

5-

CAPACITÉ D’ASPIRATION Il est facilement concevable que seule une pompe sans fuite interne peut avoir un caractère autoamorçant. Dans la réalité la fuite interne étant plus ou moins importante, il est nécessaire d’assurer une pression minimum à l’aspiration, dénommée, charge minimum à l’aspiration.

Pression à la bride – NPSH > d’aspiration

Tension de vapeur du produit aux conditions de pompage

Le NPSH augmente avec la vitesse et la viscosité, autrement dit, la charge à l’aspiration doit être d’autant plus grande que la pompe tourne vite et que le produit est visqueux.

6-

PUISSANCE ABSORBÉE Elle est théoriquement proportionnelle à la ∆P et au débit, pour une viscosité donnée. La puissance réellement consommée varie en fonction des fuites internes (jeux mécaniques, viscosité, ∆P). Elle augmente également en fonction des frottements d’origine mécanique et hydraulique. On voit que la viscosité joue un rôle complexe puisqu’elle diminue les fuites internes, donc améliore le rendement, mais augmente les frottements fluides d’une façon encore plus sensible.

7-

CONDITIONS DE BON FONCTIONNEMENT Nous avons vu déjà trois conditions : - le liquide doit être suffisamment visqueux pour limiter les fuites internes - le liquide doit avoir des propriétés lubrifiantes pour la plupart des modèles - la pression à l’aspiration doit être suffisante Ajoutons une condition importante : l’existence et le bon fonctionnement d’un organe de sécurité En effet, que se passe-t-il dans une pompe volumétrique si le circuit de refoulement est accidentellement obturé ? Les fuites internes ne sont pas suffisantes pour éviter la surcharge, dans le meilleur des cas il y a déclenchement du moteur puis rupture du corps si aucune sécurité n’intervient. Ce type de pompe comporte obligatoirement une soupape destinée à ouvrir un recyclage entre aspiration et refoulement dès que la pression de refoulement atteint une valeur prédéterminée. Lorsque le tarage de cette soupape peut être modifié, on l’adapte à la pression maximum que peut supporter le circuit (si cette dernière est inférieure à la pression maximum de la pompe).

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Cette soupape comporte souvent un volant de commande manuelle permettant : -

le démarrage et l’arrêt en recyclage, donc en charge réduite un amorçage plus facile puisque démarrant à vide. On établit progressivement le débit en fermant le recyclage.

Ce volant ne doit pas être utilisé afin de réaliser un réglage de la pression ou du débit en marche normale, d’autres éléments doivent être prévus pour cela. En effet : pour rester fiable un organe de sécurité ne peut servir d’organe de réglage. Le recyclage du débit ne peut se faire que par variation de vitesse ou par un recyclage prévu sur le circuit.

8-

PULSATIONS Sur une pompe à engrenages, chaque roue ayant neuf dents, tourne à 500 tr/min et refoule dans un circuit à la pression moyenne Pm = 100 bar. La fréquence des pulsations de débit, donc de pression, est la fréquence de passage des dents, soit : 500 x 9 = 75 Hertz 60 (1 fois par seconde = 1 Hertz) f=

Allure des pulsations de pression Pression (bar)

D T 1389 B

Pm 100

pression

Pulsations de

Pmax 107

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Ces pulsations peuvent être gênantes pour la tenue des organes hydrauliques ainsi que pour la régulation. L’amortissement est réalisé à l’aide d’une capacité sous pression de gaz installée sur la ligne de refoulement.

Gaz

D T 1390 A

Variation de niveau

Refoulement

Pour ce type de pompe, le volume de la bouteille anti-pulsatoire est peu important, puisque fonction de la variation de volume engendrée à chaque pulsation. Par contre, la pression de gonflage est tout à fait déterminante : à chaque pression de gonflage correspond une fréquence dite de coupure (qui augmente avec la pression). Pour cette fréquence, les pulsations sont très amorties, pour les autres fréquences, l’amortissement est beaucoup plus faible, voire négligeable.

D T 1391 A

Amplitude des pulsations

f

Fréquence de coupure

La pression de gonflage doit être “accordée” à la fréquence à amortir.

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Pour éviter la dissolution du gaz dans le liquide, on utilise des bouteilles à membranes. Valve de gonflage

Gaz comprimé

Une pression de gonflage ne peut amortir qu’une seule fréquence, donc la bouteille anti-pulsatoire n’est efficace que pour un seul débit déterminé.

D T 1295 A

Vessie

Le bureau d’études doit donc calculer la pression de gonflage en fonction des caractéristiques réelles du circuit.

9 - PRINCIPAUX INCIDENTS DANS L’EXPLOITATION DES POMPES VOLUMÉTRIQUES ROTATIVES a - Le moteur disjoncte après un temps de fonctionnement - Puissance consommée trop importante due à un ∆P trop élevé (sauf problème électrique) - Vanne se ferme sur le refoulement - Viscosité augmente (donc également pertes de charge) : . température du bac diminue . traçage de ligne en panne . le produit change de qualité, on doit constater que Paspiration baisse ; Prefoulement augmente. b - La pompe tourne mais ne débit pas -

Perte de niveau aspiration Vanne fermée Filtre bouché Produit figé dans la ligne Soupape bloquée en position ouverte Désamorçage (entrée d’air ou vapeur)

c - La pompe tourne mais la pression de refoulement est trop faible -

Soupape ouverte ou détarée Température élevée (viscosité réduite et fuite interne accrue) Produit trop léger

d - Pompe grippée -

Blocage des vis par un corps solide Dilatation des vis due à la température du produit véhiculé Manque de lubrification dû au désamorçage

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II -

LES POMPES VOLUMÉTRIQUES ALTERNATIVES Les pompes volumétriques alternatives usuelles font appel à deux principes : • le déplacement d’un piston animé d’un mouvement alternatif Selon le cas, le piston peut être en contact avec le cylindre, ou ne pas être en contact avec les parois de la chambre qui contient le liquide. • la déformation d’une membrane Le mouvement de la membrane est imposé, dans le cas général, par la pression obtenue sur la face arrière par une pompe à piston plongeur. Refoulement

Refoulement Cylindre Piston

Clapet de refoulement

Refoulement Plateau AR Huile tampon

Piston plongeur Membrane

Garniture d'étanchéité

Clapet d'aspiration

Aspiration

Aspiration

Pompe à piston en contact avec le cylindre

Pompe à piston plongeur

Piston plongeur

Aspiration Pompe à membrane

Principes des pompes alternatives Le principe de fonctionnement est simple : - lorsque le piston, ou la membrane, se déplace vers le “point mort bas”, le clapet d’aspiration se soulève et le liquide est aspiré. Le clapet de refoulement est fermé. - lorsque le piston, ou la membrane, se déplace vers le “point mort haut”, le clapet d’aspiration se ferme tandis que celui de refoulement s’ouvre, permettant le refoulement du liquide pompé.

1-

POMPES À PISTON (planche n°7) Elles peuvent être à simple effet et, dans ce cas, le piston n’a qu’une seule phase active (premier temps : aspiration, deuxième temps : refoulement) sur les deux phases que comporte le cycle. Elles peuvent être à double effet et, dans ce cas, le piston est actif dans les deux phases, permettant un débit deux fois plus important et une plus grande régularité de débit. Il est possible d’associer plusieurs éléments de pompe à piston, décalés dans un cycle de rotation (pompe Triplex par exemple) de façon à augmenter le débit et la régularité. Ces pompes possèdent une grande capacité d’aspiration et permettent d’atteindre des pressions de refoulement importantes.

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D T 1367 A

Segments d'étanchéité

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10

2-

POMPES À MEMBRANES (planche n°8) Dans ce type de pompes, le déplacement du piston est remplacé par les déformations alternatives d’une membrane en matériaux élastiques. La membrane est entraînée par l’intermédiaire d’un liquide tampon comprimé et décomprimé grâce aux mouvements alternatifs d’une pompe à piston. Le produit véhiculé se trouve ainsi entièrement isolé de la partie mécanique de la pompe, et peut présenter un caractère relativement corrosif. Le volume balayé par le piston étant supérieur à celui balayé par la membrane, il est nécessaire de limiter la pression du liquide tampon afin d’éviter l’éclatement de la membrane. Une soupape de sécurité permet d’évacuer l’excédent de liquide tampon en fin de phase de refoulement. Il est alors nécessaire de prévoir un second dispositif de compensation qui admettra en fin de phase d’aspiration une quantité de liquide tampon à l’arrière de la membrane, égale à celle chassée en fin de refoulement. Une pompe à membrane devra donc être équipée d’un système auxiliaire dit de “compensation” qui en augmente le coût. Pour des raisons de sécurité la membrane peut être doublée. Ces pompes sont utilisées sur les débits moyens de l’ordre de 80 m 3 /h, à des températures inférieures à 150°C. Elles conviennent sur les très petits débits, et sont très souvent utilisées comme pompes doseuses.

3-

CARACTÉRISTIQUES DE FONCTIONNEMENT D’UNE POMPE VOLUMÉTRIQUE ALTERNATIVE À SIMPLE EFFET a - Loi de débit Une pompe volumétrique alternative donne tant à l’aspiration qu’au refoulement une loi de débit déterminée par son mécanisme interne. Le mouvement du piston entraîné par un dispositif biellemanivelle est pratiquement sinusoïdal, il est à remarquer que dans ce type de pompe le débit instantané maximum atteint, est pratiquement égal à 3 fois le débit moyen.

qv

D T 1294 B

qmoyen

1

2

3

4

1

2

3

4

Course

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Il est possible de représenter le cycle théorique sur un tour de vilebrequin, par un diagramme pressionvolume comme sur la figure ci-après.

Pref

D

C

Pasp

A

B

PMH

D T 1381 A

P

PMB

Cycle théorique d’une pompe alternative simple effet

Le liquide étant incompressible, la montée en pression (BC) est instantanée ainsi que la baisse de pression (DA) dès que s’inverse la course du piston. Le cycle théorique est un rectangle.

b - Le cycle réel La perte de charge à travers les clapets d’aspiration et de refoulement fait que de A à B, la pression est inférieure à ce qu’elle est dans la ligne d’aspiration et de C à D, supérieure à ce qu’elle est dans la ligne de refoulement. Le manque d’étanchéité des clapets et leur retard à la fermeture, déforme les segments BC et DA, qui ne sont plus alors verticaux. La présence de gaz dans le cylindre a le même effet. Du gaz dissous dans le liquide est susceptible, en effet de se dégazer pendant la phase d’aspiration où la pression descend à une valeur qui peut être plus faible que la tension de vapeur. Ce gaz amortit la montée en pression, provoque des oscillations de pression et des battements de clapet. Dans certains cas, on peut introduire volontairement une petite quantité d’air par un reniflard pour amortir les chocs sur le mécanisme et renouveler l’air du réservoir de régularisation du débit.

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Débit réel

P

Influence des clapets

Pref Influencedu gaz dissous et du manque d'étanchéité

D T 1382 A

Pasp

V PMH

PMB

Cycle réel d’une pompe alternative simple effet

c - Conséquences • les pressions extrêmes atteintes provoquent des à-coups très importants, fatiguant le mécanisme et ainsi générant des couples qui peuvent passer par des maximums, qui risquent de surcharger le moteur. • la pression minimum atteinte, nettement inférieure à la pression que l’on aurait avec un débit régulier peut provoquer, si la “charge à l’aspiration” n’est pas suffisante : - un dégazage important, donc une diminution du débit et une usure des clapets - de la cavitation, si on est proche de la tension vapeur, d’où érosion de l’intérieur de la pompe et également diminution du débit. • De plus les phénomènes pulsatoires peuvent faire apparaître des surdébits, à l’aspiration et au refoulement, du fait de l’inertie des colonnes liquides. En fin de phase d’aspiration lorsque la pression dynamique à l’entrée de la pompe excède la pression statique au refoulement. En fin de phase de refoulement lorsque la pression dynamique à la sortie de la pompe est inférieure à la pression statique à l’aspiration.

Conclusion Il faut : - régulariser le débit pour amortir les pulsations de pression - assurer une hauteur de charge nettement positive à l’aspiration - assurer une différence de pression d’au moins 3 bar entre la ligne de refoulement et la ligne d’aspiration (si nécessaire, au moyen d’une soupape de maintien de pression).

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D 5 -2/C

13

4-

RÉGULARISATION DU DÉBIT Plusieurs solutions sont employées, principalement : a - Les pompes à plusieurs cylindres

qv

Débit résultant

t

D T 1293 A

Cylindre 1 Cylindre 2 Cylindre 3

Pompe à 3 cylindres simple effet à 120°

b - Les bouteilles anti-pulsatoires

qv

A

Refoulement

V

A1 Conduite de

A2

refoulement

D T 1294 A

qmoyen

Course

Pour obtenir un débit régulier, il faut que par compression du gaz contenu dans la bouteille, le volume A 1 soit emmagasiné pendant la phase de refoulement et restitué intégralement pendant la phase d’aspiration (A 2 = A1 = A) . Pour ce faire, le volume de la bouteille est de l’ordre de 25 à 50 fois le volume A1, engendré par une pulsation. De plus, il faut éviter que les oscillations propres du système colonne de liquide-matelas de gaz aient une fréquence propre supérieure ou égale à la cadence de la pompe afin d’éviter tout phénomène de résonance.

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D 5 -2/C

14

Valve de gonflage

Gaz comprimé

D T 1295 A

Vessie

Pour cela, il suffit de surdimensionner la bouteille. On est amené à le faire pour les pressions de refoulement élevées. Pratiquement, il est utilisé des bouteilles à membrane pour éviter de dissoudre le gaz. Celles-ci sont gonflées à environ 60 % de la pression de refoulement de la pompe. Un clapet empêche la vessie de sortir du réservoir lors du gonflage.

Remarque On peut être obligé d’installer une bouteille non seulement au refoulement, mais aussi à l’aspiration. En effet, des lignes courtes et de diamètre suffisant pour limiter les pertes de charge à l’aspiration sont susceptibles de connaître des oscillations très importantes accordées à la cadence de la pompe. L’inertie de la colonne liquide est prépondérante, car les frottements qui pourraient amortir le mouvement pulsatoire sont faibles.

5 - PRINCIPAUX INCIDENTS DANS VOLUMÉTRIQUES ALTERNATIVES

L’EXPLOITATION

a - Débit insuffisant ou nul -

Présence de gaz dans la ligne d’aspiration Manque de niveau à l’aspiration Pompe non amorcée Prise d’air à l’aspiration Soupape de décharge bloquée ouverte Bouteilles antipulsatoires détériorées Défaillance ou encrassement des clapets Déréglage de la course du piston Vaporisation du produit à l’aspiration (cavitation) Membrane de la pompe percée Filtre bouché Produit trop visqueux (mal réchauffé par exemple)

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DES

POMPES

15

D 5 -2/C

b - La pompe déclenche par surcharge électrique -

Défaut électrique Frottements mécaniques • garniture d’étanchéité trop serrée • pièces en mouvement détériorées • huile trop visqueuse

- Changement de qualité ou de température du produit entraînant une augmentation de la viscosité. - Augmentation de la ∆P amont/aval • • • • •

pression dans les capacités niveaux filtre encrassé vanne étranglée clapet coincé

c - Variations de pression au refoulement excessives La conception de l’installation est en cause, l’inertie de la masse liquide en mouvement dans la ligne de refoulement est trop importante. On peut : -

augmenter le diamètre de la ligne (diminution de la vitesse) diminuer la longueur de la ligne. Pour diminuer la masse de liquide mise en jeu installer une bouteille anti-pulsatoire remplacer par une pompe multi-cylindres

d - Vibrations importantes - défaut d’alignement ou défaut mécanique - garniture trop serrée - cavitation - bouteilles antipulsatoires détériorées : pas de gaz ou pression de gaz différentes de la pression à écrêter. Membrane perforée - cadence de marche non adaptée aux membranes

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D T 1375 A

Chemise pour la circulation de vapeur

D'après document Guinard

Soupape de protection de la pompe

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training ASPIRATION

REFOULEMENT

Paliers internes Rotors non engrenants : engrenages de synchronisation internes étanchéité tresse/ougarnitures mécaniques

2 vis à filetages inversés (ici une seule des 2 vis est visible)

Arbre

Presse étoupe

Engrenage de synchronisation

— Planche n°1 —

POMPE À 2 VIS — À paliers internes —

D 5 -2/C

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D T 1376 A

Niveau d'huile

D'après document Guinard

4 étanchéités tresses ou garnitures mécaniques

Engrenage d'entraînement de la vis menée

— Planche n°2 —

Arbre

Soupape de sécurité incorporée, protégeant la pompe des surpressions accidentelles

POMPE À 2 VIS NON ENGRENANTES — À paliers externes —

Vis menante

Vis menée

D 5 -2/C

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Vis menée

D'après document SCAM-IMO

Presse-étoupe

Arbre

Vis menée

Refoulement

Compensation des poussées axiales

Aspiration

Soupape de sûreté protégeant la pompe d'une surcharge accidentelle

D T 1371 A

Paliers internes - rotors engrenants Étanchéité : tresse/ ou garniture mécanique 1 vis menante - 2 vis menées

D 5 -2/C

POMPE À 3 VIS — Planche n°3 —

D 5 -2/C POMPE À ENGRENAGES INTÉRIEURS — Planche n°4 —

Fonctionnement

1 - Entrée du liquide

2 - Transfert du liquide

3 - Sortie du liquide

Étanchéité par tresses ou garniture mécanique Palier de roulement de butée

D T 1365 C

Palier interne

D'après document ACMR

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D 5 -2/C POMPE À ROTOR HÉLICOÏDAL EXCENTRÉ

— Planche n°5 —

Double cardan

a

• Le liquide se déplace de gauche à droite, selon, bien évidemment, le sens du déplacement des alvéoles • Le refoulement et l'aspiration sont isolés l'un de l'autre par une ligne d'étanchéité dont la longueur est proportionnelle au nombre de pas de la pompe • La rotation inverse du rotor entraînerait un déplacement inverse des alvéoles et donc du sens de débit. La pompe Moineau est réversible

Le rotor est au point haut de l'alvéole

Le rotor a tourné de 90° et se trouve dans l'axe du stator

Le rotor a tourné de 180°, l'alvéole est fermée

Le rotor a tourné de 270° il se trouve dans l'axe du stator

Le rotor a tourné de 360°, Le cycle est terminé, un autre s'amorce

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D T 1374 A

Sur l'épure ci-contre, stator et rotor sont représentés en coupe. La décomposition du mouvement de rotation du rotor tournant à droite permet sur un tour de suivre la progression d'une alvéole

Section a

D 5 -2/C POMPE À PISTON ROTATIF

1

2

3

B

B

— Planche n°6 —

4 C

C

D

A

A

Asp.

A refoulement B fin de remplissage C en remplissage D volume 0

D

A fin de refoulement B refoulement C en remplissage D commence son aspiration

B A volume 0 B refoule C termine un remplissage D en remplissage

E

A remplacé par C B termine son refoulement C refoule D poursuit son remplissage E commence son remplissage devient C

Bypass de sécurité Arbre avec douille excentrée

Seule pièce en mouvement avec l'arbre

Cet excentrique tourne dans l'alésage du piston Cylindre monobloc

Piston

Fond

D T 1366 B

Corps de pompe

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D T 1366 A

C

B

Ref.

D

C

D 5 -2/C POMPE TRIPLEX À 3 PISTONS PLONGEURS — Simple effet —

— Planche n°7 —

Coupe sur un cylindre REFOULEMENT Chambre

Bielle Piston

Clapets

ASPIRATION Etanchéité à tresses chevron avec injection dans le circuit de barrage si pompage de particules solides

Vue de dessus

Bielles calées à 120°C Pressions jusqu'à 200 bar débits jusqu'à 500 m/h

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D T 1289 C

Vilebrequin

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D T 1400 A

Clapet d'aspiration

Chambre de pompage

Clapet taré maintenant la membrane en position

Membrane

Clapet de refoulement

Simple membrane pilotée Débit ajustable en marche de 0 à 100/100 par réglage de la course du piston sans étanchéité = Pas de fuite

Soupape de compensation avec filtre

Chemise amovible

Porte piston

Piston

Liquide pompé

Huile piston

Bloc pilote de compensation permettant d'aspirer sous dépression

Plateau de pilotage commandant la compensation en position arrière de la membrane

Soupape de sécurité

D 5 -2/C

POMPE DOSEUSE À MEMBRANE — Planche n°8 —

Risques et Précautions liés au Matériel

COMPRESSEURS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

D5

TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS

A - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS - LA COMPRESSION DES GAZ.................................... 1 I - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS............................................................................... 1 II - PARAMÈTRES LIÉS À LA COMPRESSION DES GAZ INFLUENÇANT LA CONCEPTION DES COMPRESSEURS ........................................................................................................... 4 B - TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES.................. 8 I - DESCRIPTION ET UTILISATION DES DIFFÉRENTS TYPES................................................. 8 II - LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS ................................................................................. 11 C - LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES ......................................................................................... 23 I - PRÉSENTATION GÉNÉRALE D'UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE ................................. 23 II - FONCTIONNEMENT D'UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE................................................ 24 III - ASPECTS MÉCANIQUES PERMETTANT LA ROTATION À HAUTE VITESSE.................... 29 IV - ASPECTS D'ÉTANCHÉITÉ..................................................................................................... 30 V - LES SYSTÈMES D'AUXILIAIRES........................................................................................... 33 PLANCHES : Compresseur alternatif — 2 étages - 4 cylindres double effet — Compresseur centrifuge à multiplicateur intégré Compresseur centrifuge — Type barrel - 1 étage — Compresseur centrifuge à 2 étages — À plan de joint horizontal — Compresseur centrifuge barrel — À plan de joint vertical —

MT COM - 01888_B_F - Rév. 2

Ce document comporte 40 pages

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11/04/2005

-3/A

1

D 5 -3/A

A - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS LA COMPRESSION DES GAZ

Un compresseur est une machine qui doit assurer un débit de gaz. Il est soumis à des contraintes notamment de pressions ou liées à la nature du gaz qui influent sur le débit.

I-

PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS 1-

DIFFÉRENTS TYPES Ce document présente les types de compresseurs les plus couramment rencontrés dans l'industrie pétrochimique. Il s'agit : – de compresseurs volumétriques - Dans cette famille de machines on distingue : • les compresseurs volumétriques alternatifs à piston, à membrane • les compresseurs volumétriques rotatifs à palettes, à lobes, à vis, à anneau liquide Compresseurs volumétriques

Compresseurs alternatifs À piston

À membrane

Roots

À vis

À lobes

Spirale

D T 727 A

À palettes

Compresseurs rotatifs

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2

D 5 -3/A

– de compresseurs centrifuges, depuis le ventilateur ou le surpresseur, qui possèdent une seule roue, jusqu'au compresseur multiétagé à un ou plusieurs arbres

Compresseurs dynamiques

Centrifuges

Axiaux

Ailettes Ailettes statoriques statoriques orientables

Certains compresseurs ont des appellations particulières : pompes à vide, surpresseurs, ventilateurs, soufflantes, …, en fonction de l’usage et du type de machine.

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D T 728 A

Ailettes de rotor

3

2-

D 5 -3/A

DOMAINES D'APPLICATION

Pression maximum en bars

Sur le tableau ci-après sont précisés les domaines d'application des machines citées précédemment. Les limites qui sont indiquées sont d'abord d'origine économique avant d'être technique. La pression est la pression de refoulement maximale, le débit correspond au débit volume aspiré.

3500

Volumétriques Centrifuges et Axiaux

2000

Hypercompresseurs 1000 800 600 400

Compresseurs centrifuges

200

Compresseurs alternatifs

100 80

Joint vertical

60 40

20 Compresseurs à vis

Joint horizontal

10 8

Compresseurs volumétriques rotatifs 6 (hors vis)

Axiaux Compresseurs centrifuges multi-étagé à multiplicateur intégré

4

D T 429 E

2

Soufflantes centrifuges monoétagées Compresseurs volumétriques à lobes

1 0,1

0,2

0,4

0,6 0,8 1

2

4

6 8 10

20

40

60 80 100

200

400

600 1000

Débit aspiré en milliers de m3/h

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4

II -

D 5 -3/A

PARAMÈTRES LIÉS À LA COMPRESSION DES GAZ INFLUENÇANT LA CONCEPTION DES COMPRESSEURS 1-

DÉBIT VOLUME DÉBIT MASSE Le débit aspiré d'une machine est le principal paramètre qui définit sa dimension. Le débit masse est généralement utilisé par l'exploitant comme objectif de production. Pour un même débit volume, donc pour une machine de taille donnée ayant une vitesse fixe, le débit masse est notamment proportionnel à la pression d'aspiration. La variation de la pression d'aspiration est un moyen pour modifier le débit masse d'un compresseur. Applications : a - Compresseur débitant 3000 m3/h d'air Condition 1 : Pression d'aspiration = pression atmosphérique ⇒ débit masse 3,6 t/h Condition 2 : Pression d'aspiration = – 0,5 bar (0,5 bar absolu) ⇒ débit masse 1,8 t/h b - On utilise ce compresseur pour véhiculer du propane Pression d'aspiration = pression atmosphérique ⇒ débit masse 5,4 t/h c - On veut véhiculer 3,6 t/h de propane (P asp + P atm) ; il faut une machine beaucoup plus petite qui aspire 2000 m3/h Dans un compresseur à 2 étages, la pression du 2ème étage étant plus élevée que celle du premier, le débit volume aspiré du 2ème est plus petit que celui du premier. La taille du 2ème étage est en conséquence plus petite. Applications : Compresseur à 2 étages

0

1,4

1,5

5

3,6 t/h

20

20

Pression (bar rel.)

Température (°C)

D T 047 D

Qv = 1250 m3/h

Qv = 3000 m3/h

1 er étage : débit : 3000 m3 /h d'air ; Pression d'aspiration = pression atmosphérique ⇒ débit masse 3,6 t/h 2ème étage : Pression d'aspiration = 1,4 bar (2,4 bar absolu) ⇒ débit volume : 1250 m3/h

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5

2-

D 5 -3/A

TEMPÉRATURE DE REFOULEMENT La température de refoulement dépend : – du taux de compression, rapport des pressions absolues de refoulement et d'aspiration : Prefoulement τ = Paspiration – de la température d'aspiration – de la nature du gaz, caractérisée par un coefficient k mesurant l'aptitude du gaz à s'échauffer lors de la compression – du type de compresseur et notamment s'il est refroidi ou non – de l'état mécanique du compresseur (usure) On peut ainsi dire que les compresseurs à piston, presque toujours refroidis, chauffent moins que les autres types de machines qui, elles, ne sont généralement pas refroidies. Une machine ayant des fuites internes plus importantes, suite à de l'usure, voit sa température de refoulement augmenter. Applications : a - Influence de la nature du gaz – compresseur débitant 3000 m3/h d'air; Pression d'aspiration = pression atmosphérique ; Tasp = 20°C pression de refoulement 5 bars (6 bars absolus) ⇒ Tref = 216°C

20

0

5

216

1,4

1,5

20

105

Pression (bar rel.)

20

Température (°C)

5

105 D T 047 E

0

Compressions d'air - 1er et 2 ème étages

On utilise ce compresseur pour véhiculer du propane. Mêmes conditions d'aspirations et de refoulement ⇒ Tref = 90°C environ. b - Influence du taux de compression La compression d'air ci-dessus est réalisée par un compresseur à 2 étages qui ont le même taux de compression. La température de chaque étage est alors de 105°C. La température de refoulement est généralement le facteur limitant le taux de compression.

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6

D 5 -3/A

Pour les gaz qui tendent à chauffer (air, H2, CO …) lorsqu'on les comprime, ce taux de compression est généralement limité à 3 ou 3,5. Les gaz qui chauffent moins autorisent des taux de compression très supérieurs (5 ou 6). Si, de plus, la température d'aspiration est particulièrement basse (groupes frigo), le taux de compression peut dépasser ces valeurs. Dans les machines aspirant sous vide, le taux de compression peut être très élevé (40-60). Pour les hydrocarbures, on peut noter que plus le gaz est léger plus il tend à chauffer (on ne pourra pas avoir un taux de compression aussi élevé sur du méthane que sur du butane).

3-

PUISSANCE DE COMPRESSION La puissance dépend : – du débit de la machine _ de la nature du gaz – des conditions d'aspiration – de l'échauffement du gaz – des pertes et fuites de la machine. Pour une machine donnée à débit volume aspiré constant, la puissance est : – proportionnelle à l'échauffement du gaz donc au taux de compression et à la nature du gaz – proportionnelle à la pression d'aspiration – inversement proportionnelle à la température d'aspiration (en Kelvin). Applications : En reprenant les exemples précédents a - Compresseur d'air débitant 3000 m 3/h ; débit masse 3,6 t/h Pression d'aspiration = pression atmosphérique ; Tasp = 20°C Pression de refoulement 5 bars (6 bars absolus) ; Tref = 216°C ⇒ puissance (sans pertes) = 200 kW b - La compression d'air ci-dessus est réalisée par un compresseur à 2 étages qui ont le même taux de compression. Température de refoulement de chaque étage = 105°C ⇒ puissance (sans pertes) = 170 kW. c - Compresseur de propane : débit masse 3,6 t/h (compresseur mono étage plus petit que celui du a) ; mêmes conditions d'aspiration et de refoulement ⇒ Tref = 90°C ⇒ puissance (sans pertes) = 107 kW. d - Même compresseur que pour a) mais avec du propane : débit volume aspiré 3000 m3/h (débit masse 5,4 t/h) mêmes conditions d'aspiration et de refoulement ⇒ Tref = 90°C ⇒ puissance (sans pertes) = 160 kW.

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D 5 -3/A

On peut constater avec l'exemple du compresseur d'air que l'utilisation d'une machine bi-étagée permet de réduire la puissance de compression (dans notre exemple de 15 %).

0

5

20

1,4

1,5

20

200 kW Pression (bar rel.)

20

85 kW Température (°C)

5

85 kW 170 kW

La comparaison entre 2 gaz différents pour une machine donnée montre que l'augmentation de température est un paramètre essentiel de la puissance requise.

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D T 047 F

0

8

D 5 -3/A

B - TECHNOLOGIE ET FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES

I-

DESCRIPTION ET UTILISATION DES DIFFÉRENTS TYPES 1-

LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS Dans ces machines, le gaz est comprimé dans une chambre (ou effet) par une pièce animée d'un mouvement alternatif qui peut être : – un piston

: compresseur alternatif à piston

– une membrane

: compresseur à membrane

La figure ci-dessous montre le schéma d'un compresseur alternatif industriel à double effet où le gaz est comprimé dans deux chambres, l'une étant à l'avant du piston (effet avant), l'autre à l'arrière (effet arrière).

Aspiration Cylindre Garniture d'étanchéité Vilebrequin

Bielle Soupape d'aspiration Effet avant Soupape de refoulement

Crosse ou coulisseau

Piston

Effet arrière

Schéma de principe d'un compresseur alternatif à 2 effets

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D T 729 A

Refoulement

9

D 5 -3/A

Le schéma ci-après représente un compresseur à membrane.

Aspiration

Refoulement Soupape refoulement

Soupape aspiration

Chambre de compression Membrane déformable

Débattement de la membrane

Chambre à huile

D T 730 A

Piston et bielle de la pompe hydraulique

Avantages et inconvénients des compresseurs alternatifs à piston. Ces machines sont : – bien adaptées aux petits débits (jusqu'à 1000 ou 3000 m3 aspirés par heure) et peuvent véhiculer du gaz à toutes les pressions (jusqu'à 3000 bar). Toutefois elles donnent un débit de gaz pulsé, ce qui peut être gênant (vibrations, bruits) – souples à exploiter – d'une fiabilité moyenne, au niveau des soupapes en particulier. Ceci oblige généralement à installer deux machines en parallèle, l'une étant en secours de l'autre Avantages et inconvénients des compresseurs alternatifs à membrane : – ces compresseurs ne peuvent véhiculer que de très petits débits de gaz. Ils sont donc peu utilisés en raffinerie – grâce à leur membrane qui sépare gaz et huile, ils sont parfaitement adaptés à la compression de gaz propres ou "secs"

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2-

D 5 -3/A

LES COMPRESSEURS VOLUMÉTRIQUES ROTATIFS Dans les compresseurs volumétriques rotatifs, le gaz est transféré par "paquet" de la zone d'utilisation vers la zone de refoulement. On distingue notamment : – les compresseurs à lobes (compresseur ROOTS) – les compresseurs à vis – les compresseurs à palettes Les compresseurs à lobes et souvent ceux à vis sont tels qu'il n'y a pas contact entre pièces tournantes et stator. Ils ne sont donc pas lubrifiés, contrairement aux compresseurs à palettes, et conviennent donc particulièrement à la compression de gaz propres ou "secs". La lubrification est néanmoins possible dans les compresseurs à vis. Les compresseurs à rotors hélicoïdaux (à vis) utilisés avec du gaz procédé sont considérés comme fiables à l'égal des compresseurs centrifuges : il n'est pas nécessaire de les doubler.

Gaz enfermé entre 2 filets

Aspiration

Stator

Stator

Palettes

Lobes

Aspiration Aspiration

Refoulement

Refoulement Vis femelle Compresseur à lobes

D T 731 A

Refoulement Rotor Vis mâle Compresseur à vis

Compresseur à palettes

Avantages et inconvénients des compresseurs volumétriques rotatifs : – ces machines sont capables de véhiculer du gaz dans une large gamme de débit (jusqu'à 30000 m3 /h). On notera que leur débit est régulier contrairement aux compresseurs alternatifs – toutefois ils sont mal adaptés aux hautes pressions, bien que l'on puisse atteindre 30 bars avec des compresseurs à vis – on leur reconnaît généralement une fiabilité satisfaisante – les compresseurs volumétriques rotatifs sont peu utilisés pour le gaz procédé, mais les compresseurs à vis sont très utilisés pour la fourniture d'air service et d'air instrument

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II -

D 5 -3/A

LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS 1-

PRÉSENTATION GÉNÉRALE Les compresseurs alternatifs peuvent se présenter sous différentes dispositions. Quelques unes sont données ci-dessous.

Vilebrequin

Crosse Bielle

Tige

Piston

Cylindre BP

Cylindre horizontal

Cylindre HP

Cylindres en tandem

Cylindre BP

Cylindre BP (vertical)

Cylindre HP

Cylindre HP (horizontal) Bielles articulées sur le même maneton Cylindre en V à 90°

Cylindres en équerre Poulie-volant Cylindre HP

Cylindre BP

Pompe à huile

Bielle Couronne dentée

Plateau incliné

Cylindres verticaux

Disposition en barillet (type Girondin)

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D T 732 A

Poulievolant

12

D 5 -3/A

Les compresseurs de gaz et les gros compresseurs d'air ont très généralement des cylindres à double effet disposés horizontalement. Le schéma ci-dessous en est une excellente illustration. Cette disposition est celle préconisée par l'API.

Volant d’inertie

Vilebrequin Reniflard Filtres à huile Bielle

Crosse Tige de piston

Garniture de tige

Trappe de visite de l’entretoise

Chemise Segments

Pompe de graissage des cylindres Bâti carter Guide de crosse

2-

Soupape

Lanterne

Entretoise Piston Garniture racleuse d’huile

Palier de vilebrequin

D T 726 B

Espace mort additionnel à volume fixe

Pompe à huile Mouvement

ASPECTS DE LA COMPRESSION DES GAZ Les pressions d'aspiration et de refoulement sont en général fixées par le procédé. Le compresseur refoule à partir du moment où la pression dans le cylindre dépasse légèrement la pression de refoulement. Le rapport entre pression de refoulement et pression d'aspiration (taux de compression) et la nature du gaz conditionnent la température de refoulement. Cette température, si elle est trop élevée, peut entraîner de nombreux inconvénients : – – – –

explosion du mélange air véhiculé + huile de lubrification au contact d'un point chaud encrassement des clapets corrosion accrue des pièces diminution de la résistance mécanique

Pour ces raisons la température de refoulement est volontairement limitée, par exemple, suivant la nature des gaz, la présence ou non d'huile ou la nature de certaines pièces.

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D 5 -3/A

Pour assurer une compression donnée et afin de ne pas dépasser la température limite, on peut alors avoir besoin de plusieurs étages avec un refroidissement interétage des gaz comprimés. On peut, en outre, noter que : – toute fuite interne (clapet fuyard, segments usés) a pour effet d'augmenter la température de refoulement du gaz – un refroidissement excessif et une mauvaise séparation peuvent entraîner du liquide dans le cylindre avec des conséquences pouvant être catastrophiques pour le compresseur

3 - TECHNOLOGIE DES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS AUX COMPRESSEURS ALTERNATIFS • Le cylindre et le piston Le cylindre est conçu pour supporter la pression du gaz, assurer un refroidissement provenant de la compression, permettre le passage des clapets, supporter le frottement du piston (ou des segments). Le prix du cylindre conduit à rechercher une diminution de son usure (lubrification) et du coût de sa réparation (chemises). Si la lubrification par l'huile n'est pas acceptable (problème de sécurité, pollution du gaz, ...) il est nécessaire d'utiliser des segments autolubrifiants (PTFE chargé ou carbone). • Les segments d'étanchéité Suivant la nature du gaz, la lubrification du cylindre ou non, les segments sont en fonte, en carbone, ou en plastique (PTFE chargé, Celeron, ...). L'usure des segments se traduit par une fuite de gaz d'un effet à l'autre ou du cylindre dans le carter (simple effet). La conséquence en est une diminution du débit du compresseur et une augmentation de la température de refoulement du gaz.

Demi-piston arrière

Segments porteurs (téflon) Demi-piston avant

Entretoise de piston Segments d'étanchéité

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D T 320 A

Ecrou de blocage

14

D 5 -3/A

• Les soupapes Il en existe de nombreux types (disques, lamelles, anneaux, poppets, ...). Les clapets disques sont largement les plus répandus en Europe. Ils sont constitués d'un siège sur lequel le clapet vient s'appuyer, de ressort (à disque ou à boudin) pour assurer une légère pression du disque sur son siège, d'une plaque amortisseuse pour limiter le choc du disque lors de son ouverture et une rondelle dont l'épaisseur détermine la levée du clapet. Les pannes des soupapes sont les causes essentielles des interventions mécaniques sur les compresseurs alternatifs.

D T 733 A

Changer une soupape est une opération généralement facilitée par une conception adaptée mais qui nécessite obligatoirement l'arrêt de la machine.

Vue éclatée d'une soupape d'aspiration

01888_B_F

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15

D 5 -3/A

• Les étanchéités de tiges de piston par garniture On les trouve sur les compresseurs à double effet. Les matériaux (PTFE, carbone, bronze et métal blanc) permettent de résoudre les problèmes essentiels. Lorsque cela est possible, la garniture est lubrifiée. On peut trouver une conduite de dégazage (vers la torche) et éventuellement une réfrigération des cuvettes par un circuit d'eau. Un "saut de tige" excessif est souvent la cause essentielle de la détérioration de ces garnitures. Cylindre Lanternes

Chapeau

Graissage ou connexion au collecteur aspiration Tirants d'assemblage Coté entretoise

Coté cylindre

Tige de piston Dégazage

Anneaux d'étanchéité Chapeau

Anneau 3 segments Anneau 6 segments

Injection de gaz de barrage (N2) Coté entretoise D T 734 B

Ressorts

Variante : Injection de gaz de barrage à l'azote (pression N2 = 1 bar)

Certaines garnitures reçoivent un gaz de barrage (N2 en général) dans une hauteur placée entre le dégazage et l’entretoise. Cette solution évite la présence du gaz comprimé d’aller dans l’entretoise. • Le mouvement Constitué par un vilebrequin, monté sur 2 patins (ou plus), par les bielles fixées d'un côté sur les manetons du vilebrequin et de l'autre sur l'axe du coulisseau (ou crosse), par un coulisseau se déplaçant sur sa glissière, l'ensemble "Mouvement d'un compresseur" est un ensemble fiable. Une lubrification efficace ainsi qu'une bonne assise du bâti peuvent assurer un fonctionnement de très longue durée. 01888_B_F

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16

4-

LES AUXILIAIRES Pour un fonctionnement correct le compresseur doit être équipé d'un certain nombre de circuits auxiliaires : – eau de refroidissement – huile mouvement – huile en contact avec le gaz – sécurité, purges, ... • Eau de refroidissement Elle sert à limiter la température du cylindre, des fonds de cylindre et éventuellement de la garniture. Pour les compresseurs de gaz et afin d'éviter des risques de condensation dans le cylindre, la température de l'eau doit être supérieure à celle d'aspiration du gaz (API 617). La qualité de l'eau est très importante pour la fiabilité de la machine. • Huile de mouvement Un circuit d'huile classique avec pompe attelée et éventuellement pompe auxiliaire électrique, filtre, réfrigérant et régulateur de pression permet la lubrification des paliers, manetons, axes de coulisseau et glissières. Une sécurité de pression basse est généralement prévue qui empêche le démarrage du compresseur ou l'arrête. • Huile en contact avec le gaz Un système de pompes multiples ou de distributeurs permet l'envoi d'une quantité d'huile déterminée sur chaque point à graisser : cylindre, garniture mécanique. La nature de cette huile doit être choisie en fonction de la nature du gaz. • Autres circuits –

Circuit de dégazage vers la torche de la garniture et si elle existe de l'entretoise

–

Circuit d'azote pour dégazer les entretoises

–

Purge d'huile et de condensats

–

Évent de la 2e entretoise vers l'atmosphère

01888_B_F

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D 5 -3/A

PAH

Torche

dPC

01888_B_F

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Purge huile

LG

Azote

Vers torche

FG

Azote

Garniture avec barrage d'azote

PI

Vers torche Atm.

LG

LAL

TI

FAL

TI

Purge

TI

TI

TI

TI

TC

TI

TI

Réchauffage

TI

FAL

FG

Eau de réfrigération

Réfrigération d'huile réducteur

Réfrigération d'huile compresseur

Atm. Vers torche

COMPRESSEUR ALTERNATIF À PISTONS — Circuit de réfrigération et utilités —

17

D 5 -3/A

D T 314 E

01888_B_F

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LG

LAL

Voyants

Lubrification des cylindres et des garnitures

Graisseur mécanique

PAL

TI

Pompe attelée

LG

LAL

Pompe manuelle

TI

Lubrification de l'ensemble en mouvement

Vanne thermostatique

Réfrigérant d'huile

Eau de réfrigération

TI

PC

COMPRESSEUR ALTERNATIF À PISTONS — Schéma de lubrification —

dPI

PI

PSLL

PAL

18

D 5 -3/A D T 315 C

19

5-

D 5 -3/A

EXPLOITATION D'UN COMPRESSEUR ALTERNATIF a - Débit aspiré par un compresseur alternatif

3

2 2'

6

Travail à fournir en plus

P en bar abs.

3' Travail "économisé"

5

Par rapport à l'évolution isentropique

4 3

1

1'

4'

2

1 Volume aspiré réel Volume aspiré isentropique Volume engendré par le piston

4 Espace mort

0 10

20

30

40

50

Volume en litres D T 735 A

0

PMH

Cycle réel d'un compresseur alternatif

PMB

Le schéma ci-dessus représente l'évolution de la pression lorsque le piston fait un aller-retour. Le point 1 situé au point mort bas se trouve à la pression d'aspiration. Le point 2 correspond à l'ouverture du clapet de refoulement qui se produit lorsque la pression dans le cylindre est théoriquement égale à la pression de refoulement. Le point 3 situé au point mort haut et donc à la pression de refoulement. Le point 4 représente la position du piston lorsque la pression dans l'effet redevient égale à la pression d'aspiration.

01888_B_F

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20

D 5 -3/A

Le schéma du cycle montre que le débit aspiré par le compresseur est inférieur au débit engendré. Cette différence provient de la détente de l'espace mort qui réduit la capacité d'aspiration de gaz "frais". En fonctionnement dans une installation, dans des conditions d'aspiration et de refoulement données, les compresseurs alternatifs dont la vitesse ne varie généralement pas, ont un débit fixe. En modifiant ces conditions le débit peut légèrement changer. b - Variation de débit d'un compresseur La variation de débit indispensable pour adapter le débit de la machine au débit exigé par l'installation peut être réalisée en dehors de la variation de vitesse par différents moyens : • Recycler les gaz comprimés Ce recyclage peut être fait : – soit par un circuit prévu à la construction de l'installation. Ce circuit ramène le gaz en amont d'un réfrigérant placé sur le circuit aspiration afin de refroidir le gaz comprimé chaud. C'est une solution consommatrice de puissance bien qu'elle permette la régulation continue du débit – soit par le bipasse du compresseur. Cette solution, utilisée au démarrage est à proscrire en marche normale puisqu'elle amène un réchauffage du gaz aspiré qui est nuisible au bon fonctionnement mécanique de la machine

Vers utilisation

C

C

M

M

D T 736 A

Vers utilisation

• Rendre inactif des effets de la machine (mise à vide des clapets) Il est possible de laisser ouvert en permanence les clapets d'aspiration d'un effet afin que celui-ci ne refoule plus de gaz. On dit alors que les clapets d'aspiration sont mis à vide. Ceci est généralement réalisé au moyen d'un petit servomoteur pneumatique relié à une fourchette qui maintient ouvert le système d'obturation du clapet. Le tableau ci-après montre les différents réglages de débit obtenus par ce système sur un compresseur à 2 cylindres double effet.

01888_B_F

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21

100 %

en charge

en charge

en charge

en charge

75 %

en charge

à vide

en charge

en charge

50 %

en charge

à vide

à vide

en charge

25 %

en charge

à vide

0%

à vide

à vide

•

à vide

y;;y;y;y ;y;y;y

COMPRESSEUR : 2 CYLINDRES, DOUBLE EFFET, 1 ÉTAGE

1

1

1

1

à vide

à vide

1

à vide

2

D T 491 A

EFFET 4

3

4

3

4

3

4

3

4

3

4

2

D T 491 B

EFFET 3

2

D T 491 C

EFFET 2

D T 491 D

EFFET 1

D T 491 E

DÉBIT

D 5 -3/A

2

2

Réduire la capacité d'aspiration d'un effet par retardement à la fermeture des clapets d'aspiration (ou plusieurs)

Des servomoteurs spéciaux permettent de refermer le clapet d'aspiration non pas au point mort bas mais dans la première moitié de la course retour du piston. Cette solution permet par une modulation du signal envoyé sur le servomoteur de réguler le débit aspiré par le compresseur. Pression

3

2' 2

P ref.

1 4 PMH

1 volume

Débit avec système de retard à la fermeture

PMB D T 737 A

P asp.

Débit normal de l'effet 01888_B_F

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22

D 5 -3/A

• Réduire la capacité d'aspiration d'un effet par augmentation de l'espace mort Agrandir l'espace mort permet de détendre, à partir du point mort haut, un volume plus important de gaz et donc de lui faire occuper dans le cylindre un volume plus grand. Le volume de gaz frais aspiré est donc par ce moyen diminué. Cette solution combinée aux mises à vide des clapets permet un bon étagement des capacités de débit si l'espace mort additionnel est de volume fixe et correctement dimensionné. Pression

3

2' 2

P ref.

Cycle avec espace mort aditionnel Cycle sans espace mort aditionnel

1 4

volume Débit avec espace mort ouvert

PMH

PMB D T 737 B

P asp.

Débit normal de l'effet

EFFET 1

EFFET 2

EFFET 3

EFFET 4

100 %

Fermé

en charge

en charge

en charge

en charge

87,5 %

Ouvert

en charge

en charge

en charge

en charge

COMPRESSEUR : 2 CYLINDRES, DOUBLE EFFET, 1 ÉTAGE

1

2 3

1

4

2 3

4

c - Démarrage Le lancement des pièces en mouvement lors d'un démarrage requiert une forte énergie. A cause de la puissance du moteur qui n'a pas intérêt à être surdimensionné, il n'est généralement pas possible d'assurer simultanément la compression et le lancement de la machine. Pour cette raison, un compresseur alternatif est quasiment toujours démarré à vide, c'est-à-dire soit : – tous les clapets d'aspiration mis à vide – le bipasse du compresseur ouvert et la vanne de refoulement fermée – éventuellement les espaces morts en service

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D T 491 F

ESPACE MORT

D T 491 G

DÉBIT

23

D 5 -3/A

C - LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES

I-

PRÉSENTATION GÉNÉRALE D'UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE Un compresseur centrifuge est une machine rotative tournant à vitesse élevée (de 6 000 à 30 000 tr/min environ) dans laquelle une ou plusieurs roues fournissent l'énergie nécessaire au transfert du gaz. Lorsque cette énergie (de pression) doit être importante, il est nécessaire de prévoir plusieurs roues (multicellulaire) conduisant parfois à des solutions de machines à plusieurs étages, pour des problèmes de température de refoulement et de rendement, ou même à plusieurs corps pour résoudre des problèmes de stabilité mécaniques que créeraient des rotors de trop grande longueur. On trouve ainsi des compresseurs centrifuges à : – 1 étage pour des compresseurs de recycle (reformage catalyseur ou recycle d'ammoniac sur la synthèse) – 2 étages pour des compresseurs de transfert tels que craquage catalytique, compression de chlore, ... – 5 étages et 3 corps pour les compresseurs de synthèse d'ammoniac ou de gaz craqués de vapocraqueurs – 2 à 4 étages pour la compression de l'air service ou instrument (réseau entre 6 et 10 bars) La puissance mise en œuvre dans ces machines (entre 2 et 30 MW) en font de gros consommateurs d'énergie (plusieurs MF/an). La recherche du rendement optimum fait que la vitesse variable est très souvent utilisée pour adapter le débit de la machine au procédé. La machine d'entraînement est alors, soit un moteur électrique à vitesse variable, soit une turbine à vapeur ou à gaz. Selon la vitesse de ces machines d'entraînement, il est possible qu'il y ait un multiplicateur de vitesse.

Turbine

Compresseur

Moteur électrique

Multiplicateur

C1 : Corps BP basse vitesse

C2 : Corps HP haute vitesse

Mot. C

M

C

T

C1

M

C2

Multiplicateur Entraînement par turbine à vapeur

Entraînement par moteur électrique

01888_B_F

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Entraînement par turbine d'un compresseur à 2 corps de vitesse différentes

D T 738 A

T

24

D 5 -3/A

Selon le gaz véhiculé et sa pression, la construction du corps de compresseur peut être du type : – à plan de joint horizontal (P < 35/40 bars, sauf si H2) – barrel pour les fortes pressions ou s'il y a de l'hydrogène

Côté entraînement D T 739 A

Côté entraînement

Compresseur à plan de joint horizontal

II -

Compresseur à barrel

FONCTIONNEMENT D'UN COMPRESSEUR CENTRIFUGE 1-

AUGMENTATION DE PRESSION ET TAUX DE COMPRESSION CRÉÉS PAR UNE CELLULE L'augmentation de pression est assurée par les roues, les diffuseurs et les canaux de retour. La vitesse de rotation de la roue soumet le gaz à une force centrifuge qui se traduit par une augmentation de vitesse, de pression et de température dans la roue. Le diffuseur puis le canal de retour permettent de ramener le gaz dans la roue suivante en gagnant encore de la pression par rapport à celle de sortie de roue par ralentissement de la vitesse du gaz. Pression vitesse du gaz

Variation de vitesse et de pression au passage de la cellule

3 Diffuseur

Canal de retour

Trajet subi par le gaz

Roue

Diffusseur

Stator 6

Pression

5

1

Vitesse

4

2

3

0

Roue

0

1

2

01888_B_F

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3

4

5 6 Trajet du gaz

D T 492 D

2

25

D 5 -3/A

Le taux de compression par cellule est toujours assez faible. Il augmente lorsque : – – – – –

la vitesse de rotation augmente la masse molaire du gaz augmente la caractéristique thermique du gaz (k) augmente la température d'aspiration diminue le rendement de la machine augmente

Pour comprimer un gaz à un taux de compression donné, il y a toujours intérêt à avoir une vitesse périphérique élevée vp =

D : diamètre de roue N : vitesse de rotation en t/min

π DN 60

afin de réduire le nombre de cellules et donc le coût. La vitesse périphérique ne peut cependant dépasser certaines valeurs : •

La résistance mécanique : roues moulées roues rivées roues soudées roues usinées ouvertes

: : : :

≈ 250 m/s ≈ 280 à 300 m/s ≈ 350 m/s ≈ 400 m/s

Le schéma suivant montre la construction d'une roue soudée. Zone de soudage

Trou de fin de soudure Zone soudée Ébauche disque + ailes

D T 740 A

Ébauche couvercle

Avant assemblage

Roue soudée

Disposition des aubes

Exemple de roue soudée 01888_B_F

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26

•

D 5 -3/A

La vitesse du son dans le gaz : Pour des machines stationnaires, la recherche de la réduction de masse n'est pas prioritaire par rapport à la réduction de rendement. Sans rentrer dans les détails, on peut donc considérer que pour assurer un rendement acceptable, les machines doivent avoir des vitesses périphériques inférieures à la vitesse du son dont quelques valeurs sont données ci-après : H2 méthane air propane forane

≈ ≈ ≈ ≈ ≈

1200 m/s 430 m/s 380 m/s (à 90 C) 240 m/s 180 m/s

On peut ainsi atteindre des taux de compression de l'ordre de 1,8 à 2 par roue pour de l'air pris à 20°C. Certaines formes de roue permettent de dépasser légèrement des taux de 2,5. La compression de chlore ou du forane 22, cas de gaz lourds, ne permet pas de dépasser 1,5 à 1,7 de taux de compression par roue car la vitesse de rotation est limitée par la vitesse du son. La compression de l'hydrogène est rendue difficile par la très faible masse molaire. Les roues les plus rapides dans ce cas ne permettent guère de dépasser 1,1 de taux de compression par roue.

2-

ADAPTATION DE LA MACHINE AUX CONTRAINTES DU PROCÉDÉ • Courbe caractéristique La vitesse de rotation, la nature du gaz, la pression d'aspiration et la température d'aspiration étant fixées, un compresseur centrifuge assure un débit en fonction du taux de compression qui lui est imposé par le procédé. La représentation de toutes les situations de débit, en fonction du taux de compression, se traduit par la courbe caractéristique.

τ

D T 741 A

Courbe caractéristique

Qmini

QV

Une telle courbe est limitée en débit bas par ce que l'on appelle la limite de pompage. Pour des débits plus faibles que cette valeur on dit que le compresseur pompe. Le pompage est un phénomène qui peut être très violent qui met en jeu toute ou une partie de la masse de gaz présente dans la machine. Le gaz ne traverse plus la machine régulièrement mais subit des mouvements alternatifs dans une partie ou la totalité du compresseur.

01888_B_F

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27

D 5 -3/A

Il s'accompagne : – de vibrations des aubages des roues – d'inversion de la poussée axiale du rotor – de vibrations à très basse fréquence de l'ensemble du compresseur (grondements sourds) qui sont bien sûr extrêmement préjudiciables à la bonne tenue mécanique de la machine. À chaque vitesse de rotation (en gardant constantes les conditions d'aspiration et la nature du gaz), correspond une courbe caractéristique. La limite de pompage est alors représentée par la courbe de pompage.

N Courbes caractéristiques à différentes vitesses D T 741 B

Lim

ite d e po

mpa ge

τ

QV

Lorsque tous les paramètres d'aspiration changent, l'évolution des courbes devient difficile à quantifier. On peut cependant dire que pour un même débit volume, le taux de compression augmente lorsque : – la vitesse augmente – la masse molaire augmente – la température d'aspiration diminue

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28

P1

9

Tracées pour Gaz : M = 30 P0 : 1.53 ata T0 : 313 °K

P0

Pression

8

7

D 5 -3/A

3000

P1/P0

pm 65 r 117

6

ge

5

2000

de

po

mp a

10740

117 65 r

it e

10225

Li m

4

p m

3 8190

2

1

819 0

1000

107 40 102 25

928 0

Li m

it e

s de

urc

ha

rge

15

10

5 20

30

40

50

20 60

70

80

25

kg/s

90

t/h

Courbes caractéristique d'un compresseur centrifuge Taux de compression et puissance

• Variation du débit On souhaite toujours que le compresseur fournisse exactement le débit de consigne. Il faut alors que l'on arrive à régler au mieux ce débit sans avoir à recycler du gaz ayant été comprimé. Les principaux moyens sont les suivants : – action sur une vanne placée à l'aspiration dont le rôle est de modifier la masse volumique du gaz, donc le débit masse du compresseur en modifiant également le taux de compression et donc la température de refoulement – variation de la vitesse de rotation (solution optimale) – modification de la position d'ailettes orientables à l'entrée du compresseur (intéressant pour les compresseurs ayant 3 roues ou moins)

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D T 644 C

8200

29

3-

D 5 -3/A

PROTECTION ANTI-POMPAGE L'exploitation d'un compresseur centrifuge pouvant conduire à des débits très variables, instantanément ou en marche stabilisée, il est indispensable de concevoir un système qui protège automatiquement la machine contre le pompage en cas de fonctionnement à bas débit ou à taux de compression supérieur à celui de la machine (en général à cause d'un allégement du gaz). La protection anti-pompage est un système qui devrait assurer dans tous les cas un débit minimal dans le compresseur au moyen d'une régulation commandant une vanne de recyclage dite Vanne Anti Pompage. Le schéma ci-dessous représente une régulation anti-pompage relativement classique.

K

X FT

XIC dPT

D T 736 B

C

III - ASPECTS MÉCANIQUES PERMETTANT LA ROTATION À HAUTE VITESSE Le rotor est composé d'un arbre sur lequel sont montées les roues. Le poids du rotor et sa vitesse de rotation imposent cependant des paliers spécifiques assurant une rotation sans vibration, ni échauffement excessif, avec une très grande fiabilité. La butée qui positionne axialement le rotor est prévue pour encaisser des efforts normaux élevés et des effets supplémentaires sur incidents. • Les paliers Dans la grande majorité des cas, les constructeurs utilisent des paliers à patins multiples basculants ou pivotants pour leur stabilité sur de larges plages de fonctionnement et pour leur possibilité de réglage lors des interventions d'entretien. Ce type d'équipement impose une bonne lubrification, en quantité, en qualité et en température pour garantir son bon fonctionnement. Afin d'éviter une dégradation importante de la machine, un système électronique mesurant le déplacement du rotor est généralement installé à proximité de chaque palier.

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30

D 5 -3/A

• La butée Elle est équipée dans la grande majorité des cas de patins oscillants qui permettent d'optimiser la surface de portée. Les butées Mitchell sont très répandues. De conception plus évoluée, les butées Kingsbury sont montées sur certaines machines. Ces butées sont elles aussi lubrifiées. Leur destruction, pouvant se produire très brusquement, génère des risques très importants de grippage interne entre roues et stator, avec des conséquences financières très élevées. Des systèmes de détection d'anomalie (mesure du déplacement axial et de la température des patins) sont pratiquement toujours installés sur la butée. On peut signaler la possibilité sur des machines neuves de faire installer des paliers et butées magnétiques. Cette solution donne d'excellents résultats, tant sur le plan du rendement que sur celui de la fiabilité. L'investissement est cependant actuellement plus élevé qu'avec des paliers et butées traditionnelles à patins lubrifiés.

IV - ASPECTS D'ÉTANCHÉITÉ Il y a deux problèmes d'étanchéité à résoudre :

1-

ÉTANCHÉITÉ INTERNE Il faut limiter les fuites internes entre étages dont l'effet affecte directement le rendement de la machine. On limite les fuites en interposant sur le trajet du gaz des labyrinthes, qui peuvent être constitués par : – des léchettes (ou dummies) qui sont généralement fixées au stator. Parfois sur les compresseurs lents, les léchettes sont installées sur l'arbre. Le nombre de léchettes nécessaires dépend de la pression à étancher – des bagues labyrinthes en 2 parties montées en face d'une portée lisse ou épaulée du rotor Bague labyrinthe

Bourre

Stator

Léchette courte

Arbre

Arbre Bourres

D T 743 A

Léchette longue

Portée éventuellement chemisée Dispositifs statoriques

Léchettes rotoriques

La crainte de voir un échauffement du rotor (donc sa déformation) suite à un contact avec les systèmes d'étanchéité conduit à choisir, pour les léchettes ou labyrinthe, des matériaux "mous" tel que l'aluminium, le nickel, le PTFE ou des matériaux dit "abradables".

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31

2-

D 5 -3/A

ÉTANCHÉITÉ DE SORTIE D'ARBRE Selon la nature du gaz, le problème peut être simple ou délicat à résoudre. Le gaz ne présente aucun danger et peut être mis à l'atmosphère sans risque. C'est le cas de la compression d'air, d'azote, etc... La garniture de sortie d'arbre est dans ce cas une garniture à labyrinthe (léchettes ou bagues labyrinthes). Si le gaz est dangereux, inflammable ou corrosif, toute fuite vers l'atmosphère est interdite. L'utilisation de garniture d'étanchéité est alors nécessaire. Pour les hydrocarbures et quelques autres gaz, les garnitures d'étanchéité utilisent couramment un système de barrage d'huile à une pression légèrement ou bien supérieure à la pression du gaz à étancher. Huile à P gaz + 0,3 à 0,4 bar Côté gaz (pression P gaz)

Côté atmosphère

Ergot

Fuite côté atmosphère

Douille flottante (ou bagues flottante)

Ressort

D T 744 A

Fuite côté gaz

Le système à bagues flottantes, très couramment utilisés, impose une pression d'huile de 0,3 à 0,4 bar supérieure à la pression d'aspiration du gaz. Un système d'huile spécifique avec pompe, filtre, régulateur, etc. est indispensable. D'autres systèmes sont proposés, soit parce qu'un simple barrage d'azote ou d'air sec est possible, soit qu'on préfère un équipement plus proche d'une garniture mécanique de pompe. Injection d'huile (ou gaz) P

P = P gaz + ∆P

P gaz

Jeu

Huile polluée

P gaz Passage de l'huile ou du gaz Côté atmosphère

Huile non polluée

Injection d'huile P

Côté atmosphère

Côté gaz

Huile non polluée

Huile polluée

Garniture à douille fixe

D T 742 A

Douille

Garniture à grain flottant

01888_B_F

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32

D 5 -3/A

Des systèmes particuliers sont également proposés comme la garniture ISO CARBONE (ci-dessous) ou HYDRODYNE (Rateau).

Arrivée d'huile étanchéité Atmosphère

Boîte à ressort

Collet tournant

Gaz de procédé Zone sous pression d'aspiration

Côté atmosphère

Côté gaz

Bague fixe Gaz de barrage (en option)

Douille fixe

Écrou

Retour d'huile non polluée

D T 745 A

Retour d'huile polluée

Grain

L'évolution technologique permet actuellement de réaliser des étanchéités par garniture mécanique sans huile. Ces garnitures dites "sèches" sont utilisées systématiquement avec des paliers magnétiques, ce qui supprime la totalité des circuits d'huile. Elles peuvent être cependant utilisées sur des machines existantes ou neuves traditionnelles (avec paliers et butée à patins).

01888_B_F

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33

V-

D 5 -3/A

LES SYSTÈMES AUXILIAIRES Des systèmes auxiliaires servent à assurer la lubrification, l'étanchéité et la sécurité du compresseur. On a vu que la lubrification et l'étanchéité nécessitent de l'huile et donc des caisses à huile et tout un équipement de pompage, filtration et refroidissement. –

Caisses à huile On peut rencontrer une caisse commune huile d'étanchéité et huile de lubrification ou des caisses séparées avec récupération ou non de l'huile polluée par le gaz. Dans ces caisses à huile on trouve entre autre un système de réchauffage (pour démarrage à froid), un contrôle du niveau, une purge d'eau, etc...

–

Un ensemble de pompage qui comprend dans le cas général : • des pompes de lubrification On trouve en général deux pompes centrifuges, l'une étant entraînée par moteur électrique, l'autre par turbine à vapeur. Chaque pompe peut être en secours de l'autre. • des pompes d'étanchéité Doublées comme les pompes de lubrification, elles sont souvent de type volumétrique. Elles doivent donner une pression supérieure à la pression d'aspiration du gaz.

–

Des réfrigérants qui permettent de refroidir l'huile et donc d'évacuer la quantité de chaleur dégagée par les frottements au niveau des paliers, de la butée et des garnitures d'étanchéité.

–

Des filtres placés sur les circuits d'étanchéité et de lubrification. Ces filtres doivent être permutables en marche pour décolmatage. Le bon état des filtres et un nettoyage régulier sont essentiels pour éviter des problèmes au niveau des éléments lubrifiés.

–

Un ensemble de régulation et de mesures qui permet : – de contrôler les températures d'huile – de contrôler visuellement la circulation de l'huile – de délivrer l'huile de lubrification à la pression convenable, en mettant en route la pompe en secours si la pression vient à chuter, ou en déclenchant le groupe en cas de très basse pression – de contrôler l'encrassement du filtre – de délivrer l'huile d'étanchéité aux garnitures à la pression requise par le bon fonctionnement du dispositif d'étanchéité retenu par le constructeur En cas de mauvais fonctionnement, le système de régulation doit mettre en route la pompe de secours, voire arrêter la machine. Des réservoirs relais sous pression ou en hauteur permettent une reprise de la pompe secours avec un risque réduit de déclenchement par pression basse et un approvisionnement de l'huile aux paliers, butée et garniture pendant le temps nécessaire au ralentissement de la machine, lorsque celle-ci s'arrête par manque de pression d'huile. Selon les équipements du groupe de compression, des systèmes auxiliaires peuvent être très différents. Le circuit ci-après représente les auxiliaires d'un compresseur équipé de bagues flottantes et entraîné par un moteur électrique.

01888_B_F

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34

D 5 -3/A

Ligne de référence (pression gaz) dPI dPS

LG

LL

LS

Huile de lubrification

TI

TI

ARRÊT COMPRESSEUR

TS FI

FI

FI

FI

FI

H

TI

TI

TA H

FI

FI

FI PI

Torche ou retour vers aspiration

PS

Ultime secours (US)

Huile polluée + gaz

L dPC

LL

10η

Purgeur PC

TS

PS

L

H

TI

LS

PI L

25η

LS US M PS

L

PI L

Caisse à huile polluée

dPI dPS

Filtres

LG

TI

T

dPI dPS

M

Pompes

Réfrigérants Filtres

Compresseur centrifuge schéma du système auxilliaire

01888_B_F

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M

Pompes

L

T

Caisse à huile

TS

H

D T 752 B

FI

L

Compresseur

Multiplicateur

Moteur électrique

LC LS LL

5 m env.

Huile d'étanchéité

H

L

L

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Palier du vilebrequin Bearing

Graisseur mécanique Lubricator

Collecteur d'huile mouvement Forced feed lubrification pipe

Ballon antipulsatoire de refoulement Discharge pulsation dampener

Déflecteur d'huile Oil slinger

Garniture d'étanchéité secondaire Secondary piston rod packing Garniture d'étanchéité principale Main piston rod packing

Racleur d'huile Oil wiper

Crosse Crosshead

Piston

Volant d'inertie Fly wheel

Ballon antipulsatoire d'aspiration Suction pulsation dampener

Réfrigération Water cooling

Cylindre en acier forgé Forged steel cylinder

Mise à vide soupape d'aspiration Discharge valve

Soupape d'aspiration Suction valve

Espace mort à volume fixe Clearance pocket

Cylindre en acier moulé Cast steel cylinder

Système de mise à vide du clapet d'aspiration Valve unloader Mise à l'air libre servo-moteur Unloader vent to atmosphere

Dégazage étanchéité tige Unloader vent to flare

COMPRESSEUR ALTERNATIF — 2 étages - 4 cylindres double effet — RECIPROCATING COMPRESSOR — 2 stages - 4 double acting cylindres —

D 5 -3/A

D T 1542 A

Diffuseur

Réfrigérant Dévésiculeur

ème

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training ENT

ULEM

REFO

ATION

étage

ASPIR

4

er

1 é tage

3 000 tr/mim

ème

étage

3

ème

étage

D'après documentation INGERSOLL-RAND

Impulseur

2

D T 1042 A

COMPRESSEUR CENTRIFUGE À MULTIPLICATEUR INTÉGRÉ — Type Centac —

D 5 -3/A

Ligne d'équilibrage vers aspiration Balancing line to suction

Retour huile polluée To contaminated oil trap

Huile de lubrification Lube oil

Retour d'huile vers caisse Oil return to tank

Collet de butée Thrust bearing collar

Butée Thrust bearing Capteur de déplacement axial Axial displacement probe

Température d'huile de butée Thrust bearing oil temperature

Température d'huile de palier Bearing oil temperature

Capteur de vibration radiale Radial vibration probe

Piston d'équilibrage Balance piston

REFOULEMENT DISCHARGE

Arbre Shaft

Canal de retour Return channel

Léchettes Dummies

Roue impeller

Diffuseur Diffuser

Palier Bearing

Retour huile polluée To contamined oil trap

Retour d'huile vers caisse Oil return to tank Huile de lubrification Lube oil

Accouplement Coupling

Alimentation d'huile d'étanchéité Seal oil supply

Température d'huile de palier Bearing oil temperature

Capteur de vibration radiale Radial vibration probe

COMPRESSEUR CENTRIFUGE — Type barrel - 1 étage — CENTRIFUGAL COMPRESSOR — Barrel type - 1 stage —

Système d'étanchéité (bagues flottantes) Sealing device (floating rings)

ASPIRATION SUCTION

D T 1270 B

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D 5 -3/A

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e

Aspiration 2è étage

r tag 1e é

e

ag 2è ét

Refoulement 1er étage

Volutes de refoulement

Accouplement

Refoulement 2è étage

Canal de retour Diffuseur

Corps de palier et de butée

Capteur de déplacement axial

Butée

Tubulures de lubrification

Aspiration 1er étage

Palier

Système d'étanchéité à labyrinthe

COMPRESSEUR CENTRIFUGE À 2 ÉTAGES — À plan de joint horizontal — 2 SECTIONS HORIZONTALLY SPLIT CENTRIFUGAL COMPRESSOR

D T 668 D

Labyrinthe d'étanchéité du piston d'équilibrage

Rotor à 7 roues

D 5 -3/A

Palier

Accouplement

Refoulement

Système d'étanchéité à bagues flottantes

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Aspiration

Tubulures de lubrification

Palier

Butée

Capteur de déplacement axial

Capteur de vibration

Ligne d'équilibre

COMPRESSEUR COMPRESSEURCENTRIFUGE CENTRIFUGEÀ BARREL 2 ÉTAGES ——À Àplan plandedejoint jointhorizontal vertical—— VERTICALLY SPLIT CENTRIFUGAL COMPRESSOR — Barrel type —

D 5 -3/A

D T 669 E

Risques et Précautions liés au Matériel

MOTEURS THERMIQUES

D5

MOTEUR DIESEL

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - UTILISATION ET DESCRIPTION DES MOTEURS DIESEL .................................................... 1 1 2 -

Utilisation des moteurs Diesel ...................................................................................................... 1 Description ...................................................................................................................................3

II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR DIESEL .................................................... 5 III - LES DIFFÉRENTS CIRCUITS .................................................................................................. 7 1 2 3 4 5 6

-

Circuit de combustible .................................................................................................................. 7 Circuit d’air d’admission ...............................................................................................................8 Circuit des gaz d’échappement .................................................................................................... 8 Circuit d’air de lancement .............................................................................................................9 Circuit de lubrification .................................................................................................................10 Circuit de réfrigération ................................................................................................................ 11

IV - DANGERS LIÉS AUX MOTEURS DIESEL ............................................................................. 12 1 2 3 -

Risques d’incendie .....................................................................................................................12 Risques d’explosion de carter .................................................................................................... 12 Dangers divers ...........................................................................................................................13

V - SÉCURITÉS DES MOTEURS DIESEL................................................................................... 14 1 2 3 4

-

Principales sécurités et alarmes - Déclenchement - Réarmement ............................................ 14 Déclencheur de survitesse .........................................................................................................14 Moteurs Diesel des engins mobiles de chantier......................................................................... 15 Moteurs Diesel pour atmosphère explosive (ATEX) ..................................................................16

Planches Planche n°1 :

COUPE PARTIELLE D’UN MOTEUR V16 ................................................................. 18

Planche n°2 :

RÈGLES PARTICULIÈRES DE CONSTRUCTION ET D’ESSAI DES MOTEURS DIESEL DE “SÛRETÉ” ...............................................................................................19

ME MOT - 02482_A_F - Rév. 1

Ce document comporte 22 pages

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10/03/2006

-6/A

1

I-

D 5 -6/A

UTILISATION ET DESCRIPTION DES MOTEURS DIESEL 1-

UTILISATION DES MOTEURS DIESEL Les moteurs Diesel sont des machines d’entraînement très répandues. Ils sont utilisés principalement comme moteurs de propulsion pour tous types de véhicules mais peuvent également entraîner : des alternateurs des pompes, principalement des pompes à incendie des compresseurs

D MOT 1214 A

-

D MOT 1215 A

Groupe électrogène

Groupe motopompe 02482_A_F

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2

D MOT 1217 A

D 5 -6/A

D MOT 1216 A

Pompes à incendie

Groupe motocompresseur d’air

02482_A_F

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3

2-

D 5 -6/A

DESCRIPTION Les moteurs Diesel sont des machines thermiques à combustion interne. Ils utilisent l'énergie chimique d'un combustible et la transforment en travail en passant par l'énergie thermique de la combustion réalisée dans une enceinte fermée : le cylindre.

Injecteur Soupape d'échappement

Soupape d'admision Culasse Chambre de réfrigération Chemise humide Chambre de réfrigération Piston

Bloc cylindre

D MOT 1024 B

Bielle

Coupe d’un cylindre

Le cylindre est délimité par trois éléments du moteur : - la culasse qui recouvre la chemise - la chemise située dans le bâti - le piston qui coulisse dans la chemise

02482_A_F

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4

D 5 -6/A

Le mouvement alternatif du piston est ensuite transformé en mouvement rotatif : - les bielles sont liées aux pistons par un axe. Elles transforment le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif grâce à leur liaison articulée sur le vilebrequin -

le vilebrequin est enfermé dans le carter lui-même situé sous le bâti

-

en bout de vilebrequin se situe le volant moteur

D MOT 1018 A

D MOT 1020 A

- la distribution assurant l’entraînement de tous les éléments auxiliaires tels que pompe à huile, pompe à eau, pompe(s) d’injection, arbres à cames, etc., est généralement située du côté opposé au volant moteur

Vilebrequin d’un moteur six cylindres en ligne

Bâti de moteur six cylindres en ligne Came Injecteur

Bougie de préchauffage Soupapes Refroidissement Pod de piston

Piston

D MOT 1022 C

Vilebrequin

Doc RNUR

Écorché d’un cylindre 02482_A_F

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5

II -

D 5 -6/A

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR DIESEL La combustion nécessite trois éléments : -

le combustible : le gazole

-

le comburant : l'air

- une source d’inflammation : c’est la compression de l'air dans le cylindre qui permet d’atteindre la température d’auto-inflammation du gazole La grande majorité des moteurs Diesel fonctionnent suivant le cycle “Quatre temps”. • 1er temps : admission de l'air dans le cylindre

D MOT 1002 B

Le piston est en phase descendante. L'air pénètre par les soupapes d'admission dont l'ouverture est commandée par l'arbre à cames.

Admission

• 2ème temps : compression de l'air

D MOT 1002 C

Les soupapes d'admission se referment, le piston remonte, l'air emprisonné dans le cylindre monte en pression et en température.

Compression 02482_A_F

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6

D 5 -6/A

• 3ème temps

Combustion

Détente

D MOT 1002 D

Avant que le piston n'atteigne le PMH, le combustible est injecté. Il y a autoinflammation du gazole. La combustion offre au moteur le seul “temps” fournissant du travail. Le piston redescend, c'est la détente des gaz.

• 4ème temps

D MOT 1002 E

Le piston remonte, les gaz brûlés sont évacués par les soupapes d'échappement dont l'ouverture est commandée par l'arbre à cames. C'est l'échappement.

Échappement

Chaque temps correspond donc à 1/2 tour du vilebrequin. Un cycle complet est effectué en 2 tours.

02482_A_F

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7

D 5 -6/A

III - LES DIFFÉRENTS CIRCUITS 1-

CIRCUIT DE COMBUSTIBLE Le circuit de combustible se compose de divers éléments : - la caisse journalière dans laquelle se trouve le gazole épuré - la pompe alimentaire, entraînée par la distribution, aspire dans la caisse alimentaire et refoule le gazole à la pompe d’injection -

la pompe d'injection distribue sous haute pression (supérieure à 200 bars) le gazole à chaque injecteur

-

les injecteurs pulvérisent le gazole en très fines gouttelettes dans les chambres de combustion

Caisse journalière

Alimentation

Évent

Trop plein

Réservoir relais

Vidange

Gazole

Niveau

Fuites injecteurs

Purge Filtre auto nettoyant Pompe volumétrique

Débit

Débit

Retour pompes

Filtres

Moteur

Caisse à égouttures Niveau Purge Schéma de principe du circuit de combustible d’un moteur V16 à pompes d’injection individuelles 02482_A_F

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D MOT 1013 B

Évent

8

2-

D 5 -6/A

CIRCUIT D’AIR D’ADMISSION L'air d'admission est aspiré généralement en partie haute du moteur : - le filtre à air filtre l’air de combustion. Suivant le type de moteur, l’air peut être admis directement dans les cylindres (cas des moteurs “atmosphériques”) - lorsque le moteur est “suralimenté”, l’air passe dans le turbocompresseur qui a pour but d'augmenter la masse d'air admise dans les cylindres - avant de pénétrer dans les cylindres, cet air est réfrigéré dans un aéroréfrigérant plus connu sous le nom d'intercooler

3-

CIRCUIT DES GAZ D’ÉCHAPPEMENT – Les gaz d'échappement issus de la combustion sont évacués par le collecteur d'échappement. – Lorsque le moteur est muni d'un turbocompresseur, ces gaz vont entraîner la partie turbine du turbocompresseur. – Les gaz d’échappement sont ensuite refoulés à l’atmosphère. Gaz Air

1

2

3

4

5

6

Réfrigérant Échappement

Collecteur d'échappement Turbo soufflante

Collecteur d'admision

Arrivée d'air

Arrivée d'air aux culasses Gaz

D MOT 1073 A

Filtre à air

Arrivée d'air Réfrigérant Collecteur d'échappement

Circuits d’air admission et des gaz d’échappement 02482_A_F

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9

4-

D 5 -6/A

CIRCUIT D’AIR DE LANCEMENT Au dessus d'une certaine puissance, le démarrage des moteurs Diesel n'est plus réalisé par un démarreur électrique alimenté par une batterie mais par de l'air comprimé. Le circuit d'air de lancement est équipé : -

d’un compresseur d’air de bouteilles de réserve dans lesquelles la pression peut aller de 30 à 200 bars ou plus suivant les besoins nécessaires au lancement du moteur - d’un détendeur d’air-pression de 20 à 40 bars - d’un distributeur d’air qui alimente les soupapes d’air de lancement - des soupapes d’air de lancement situées sur les culasses. Lorsque l’air sous pression est admis sur les pistons, le moteur se met en rotation jusqu'à ce que la combustion dans les cylindres assure le fonctionnement du moteur Vers pompe d'injection n°2

Air-pilote

Air de lancement

Soupapes de lancement pilotées

≅ Électovanne

Régulateur TYUG8

Répartiteur air-pilote

Pompe d'injection n°1

Contacteur centrifuge de survitesse MOISY

Filtre deshuileur

Compresseur d'air

Pression (bar)

bar Bouteille

Circuit d’air de lancement d’un moteur V12 - 2 pompes d’injection - Admission d’air sur un seul Vé 02482_A_F

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D MOT 1072 B

40

10

5-

D 5 -6/A

CIRCUIT DE LUBRIFICATION Le fonctionnement d'un moteur Diesel nécessite une importante lubrification. Le circuit d'huile assure cette fonction : - une pompe volumétrique attelée permet de refouler l'huile aux différentes articulations du moteur - la pompe à huile aspire généralement directement dans le carter d'huile moteur Le circuit comprend : -

des filtres un réfrigérant une pompe de pré-graissage “Japy” pour les petits moteurs, une pompe de pré-graissage électrique pour les plus gros, voire une pompe de secours - les organes de sécurité nécessaires évitant des dégradations irréversibles en cas de défaillance Sur le dessin suivant, la caisse à huile est séparée du moteur. Sur les petits moteurs, le carter d’huile fait office de caisse à huile.

Pompe volumétrique

Vapeurs

Moteur Régulation de pression

Épurateurs centrifuges

Dérivation de filtration Eau HT

Niveau

Filtre auto nettoyant Vanne thermostatique

Régulation de température

Eau BT

Purge

Caisse à huile (8 m3)

Pompe de secours

Aspiration de la pompe attelée

Schéma de principe du circuit de lubrification d’un moteur V16 Avant lancement, il est nécessaire de virer le moteur afin de s'assurer qu'aucun point dur (coin de calamine, présence d'eau dans un cylindre) ne vienne bloquer le moteur : - une barre à virer introduite dans le volant d'inertie permet de virer les petits moteurs - un vireur électrique est utilisé sur les moteurs de forte cylindrée - cette opération s’effectue pré-graissage en fonction et nécessite l’ouverture des robinets de décompression présents sur les culasses

02482_A_F

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D MOT 1014 B

Pompe de prégraissage

11

6-

D 5 -6/A

CIRCUIT DE RÉFRIGÉRATION L'important dégagement de calories provenant des cylindres impose une réfrigération. Celle-ci est réalisée par le circuit de réfrigération : - une pompe de réfrigération attelée centrifuge fait circuler l’eau de réfrigération haute température - la caisse d'expansion située en hauteur par rapport au moteur sert de réserve tampon. Elle permet également le traitement de l’eau, le dégazage du circuit ainsi que la pressurisation - l’eau réfrigère le moteur mais peut aussi réfrigérer l'huile, suivant le type de moteur, via un réfrigérant - les gros moteurs Diesel disposent d’un circuit de réfrigération “basse température” comme le montre le schéma suivant Traitement de l'eau HT Pressurisation Entrée CHT ∅ 4" Eau CBT ∅ 4"

Caisse d'expansion

LAL

∅ 2"

Réfrigérant eau HT

Turbo soufflante Sortie

CBT

Eau

CHT

Thermostat de réglage θ° huile

∅ 2"

Préchauffe

Sortie culasse

Sortie eau culasses

Vers les tours de réfrigération

Réfrigérant d'huile Carter Réfrigérant d'air suralimentation

Collecteur arrivée eau BT

Entrée eau cylindre Pompe à eau BT Collecteur Collecteur sortie arrivée eau BT eau HT

Thermocontact Pompe à eau HT

Réfrigérant d'air de suralimentation Thermostat de réglage θ° eau

Collecteur sortie eau HT

Provenant des tours de réfrigération

CBT

Schéma de principe circuit de réfrigération 02482_A_F

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D MOT 1074 B

CHT

12

D 5 -6/A

IV - DANGERS LIÉS AUX MOTEURS DIESEL 1-

DANGERS D’INCENDIE Les risques d’incendie sont présents du fait de l’utilisation d’hydrocarbures pouvant entrer en contact avec des points chauds (collecteur d’échappement par exemple).

2-

DANGERS D’EXPLOSION DE CARTER Le gazole pulvérisé dans les cylindres peut ne pas s’enflammer en totalité pour plusieurs raisons : -

défaillance des injecteurs usure de la segmentation défaut d’étanchéité des soupapes, etc.

Ce gazole imbrûlé va s’écouler le long des cylindres et se mélanger à l’huile de lubrification abaissant le point éclair de celle-ci avec danger d’inflammation. Au-dessus de 5 % de dilution de l’huile par le gazole, le moteur Diesel doit être stoppé, les causes de la dilution recherchées, la charge d’huile partiellement ou totalement vidangée et remplacée suivant la capacité en huile du carter. Les moteurs Diesel sont généralement pourvus de clapets de surpression sur une ou plusieurs trappes de visite du carter. La dilution doit être contrôlée périodiquement à l’aide d’un viscosimètre comparant la chute d’une bille dans un tube témoin contenant de l’huile diluée à 5 % de gazole avec la chute de la même bille se trouvant dans le tube de l’échantillon d’huile prélevée sur le circuit.

1/2 clapet fermé

D MOT 1218 A

1/2 clapet ouvert

Clapet de surpression

02482_A_F

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3-

D 5 -6/A

DANGERS DIVERS Les risques de brûlures pouvant être provoquées au contact des collecteurs d’eau haute température mais surtout des collecteurs d’échappement. En sortie de turbocompresseur, la température des gaz d’échappement peut atteindre 550°C. Les moteurs Diesel possèdent des éléments en mouvement : pompes d’injection, volant moteur. La rupture de collecteurs due aux vibrations. La pression dans les circuits peut être très importante : plusieurs centaines de Bar dans le circuit de combustible après la pompe d’injection. Le personnel assurant la conduite et l’entretien des moteurs Diesel doit donc se conformer aux règles de sécurité élémentaires.

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V-

D 5 -6/A

SÉCURITÉS DES MOTEURS DIESEL 1-

PRINCIPALES SÉCURITÉS ET ALARMES - DÉCLENCHEMENT - RÉARMEMENT Il y a lieu de distinguer : - les sécurités qui provoquent l’arrêt de la machine sur anomalie et/ou qui empêchent le démarrage (exemple : pression basse d’huile, températures hautes) - les alarmes qui indiquent une anomalie ; cette anomalie ne justifie pas l’arrêt de la machine L’instrumentation et les appareils de contrôle permettant le fonctionnement des sécurités et des alarmes sont plus ou moins nombreux et sophistiqués suivant la protection désirée du matériel. Il est évident que le moteur fonctionnant sur un site très isolé et sous surveillance humaine, doit avoir des appareils de contrôle en nombre important permettant le fonctionnement en toute sécurité du moteur. Suivant le cas la conduite (mise en marche, arrêt d’urgence, réglage de la vitesse) ainsi que les alarmes et la signalisation des défauts sont transmises sur un tableau. Souvent le tableau de surveillance se trouve sur site près du moteur. Un homme de quart effectue alors des rondes de contrôle.

2-

DÉCLENCHEUR DE SURVITESSE Cette sécurité impose l'arrêt du moteur par désamorçage des pompes à combustible de dosage en cas de survitesse. Ce dispositif est basé sur l'action de la force centrifuge appliquée à une masse tournante qui se déplace au-delà de la vitesse de réglage et agit sur un levier coudé libérant la tige poussoir et actionnant le bras qui agit sur l'arbre de réglage du débit des pompes.

Bras Tige poussoir Piston guide Corps Ressort Rainure conique Axe de levier Levier coudé Arbre attelé au moteur Ressort Tige filtée

Masselotte tournante de déclenchement

Axe excentré

D MOT 1076 A

Porte masse

02482_A_F

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3-

D 5 -6/A

MOTEURS DIESEL DES ENGINS MOBILES DE CHANTIER a - Arrêt d'urgence Le moteur Diesel comporte des points chauds tels que le collecteur d'échappement et il peut également générer des étincelles par son pot d'échappement. Ces points chauds en cas de présence d'une nappe de gaz peuvent provoquer de violentes explosions. De même l'aspiration de gaz combustibles mélangés à l'air d'alimentation du Diesel peut détériorer le moteur lui-même. Sur sites industriels on exige les sécurités suivantes : -

obturation par volet d'aspiration Il est obligatoire de pouvoir étouffer le moteur par l'action d'un volet qui obture le collecteur d'aspiration.

-

mise à zéro de la commande des pompes à injection Ceci est une autre façon d'arrêter le moteur en agissant directement sur le cran de combustible. On peut également conjuguer les deux actions, obturation de l'aspiration et mise à 0 du cran de combustible, suivant les exigences de sécurité.

b - Protection anti-étincelles sur pot d'échappement Pour les mêmes raisons, en atmosphère à risque, il est obligatoire d'avoir une protection anti-étincelles sur les pots d'échappement des moteurs Diesel. Ceci est réalisé à l'aide d'un empilage de plaquettes offrant un chicanage important sur le trajet des gaz brûlés.

Pare étincelle

Arrêt d'urgence

DIESEL

Coupe circuit

Extincteur adapté à poudre polyvalente

Exemple de motocompresseur de chantier

02482_A_F

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D MEQ 1818 A

A B C

16

4-

D 5 -6/A

MOTEURS DIESEL POUR ATMOSPHÈRE EXPLOSIVE (ATEX) Les moteurs Diesel classiques constituent des sources d’inflammation potentielles d’une atmosphère explosive : - arcs et étincelles provenant des éléments électriques - étincelles d’origine électrostatique ou mécanique - température extérieure du moteur, des gaz d’échappement, des freins - flammes ou étincelles sortant du système d’admission ou d’échappement - emballement du moteur Les moteurs Diesel de sûreté sont soumis à des règles particulières de construction et d’essais pour pouvoir opérer en atmosphère explosive de type 1 ou 2 (planche 1) : - zone 1 : atmosphère explosive susceptible de se produire en opération normale, de temps en temps - zone 2 : atmosphère explosive non susceptible de se produire en opération normale mais si elle se produit néanmoins, n’est que de courte durée

02482_A_F

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D 5 -6/A

Les vues ci-après illustrent les principales protections mises en œuvre pour rendre le moteur Diesel d’un chariot élévateur conforme à la Directive Européenne 94/9/CE (Directive ATEX).

La vanne de coupure d'air dispose Différents arrête-flammes d'un système de fermeture d'échappement répondent automatique* et manuel. aux normes en vigueur. Elle intègre un arrête-flamme *— obturation automatique de l'admission d'air si : • températures excessives de surface ou des gaz d'échappement • emballement du moteur • baisse de pression d'huile

Un revêtement en acier inoxydable protégé les fourches contre la production d'étincelles

Chariot élévateur à moteur diesel utilisable en atmosphères explosives

D T 2493 A

L'enveloppe antidéflagrante intègre un coupe batterie

Un refroidisseur des gaz limite la température de surface du moteur et des gaz d'échappement en dessous de la classe de température spécifiée

Le démarrage électrique antidéflagrant permet l'adjonction d'accessoires de sûreté (éclairage essuie, glace)

Détail des moyens de protection

02482_A_F

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D 5 -6/A

RÈGLES PARTICULIÈRES DE CONSTRUCTION ET D’ESSAI DES MOTEURS DIESEL DE “SÛRETÉ”

— Planche n°2 —

Des règles particulières de construction doivent être observées pour empêcher, lors du démarrage ou du fonctionnement d’un moteur Diesel dans une atmosphère explosive : - l’inflammation de cette atmosphère par un point chaud, par les flammes provenant d’un retour de flammes, par une explosion susceptible de se produire entre les dispositifs d’admission ou d’échappement ou par les gaz d’échappement -

l’emballement du moteur qui entraînerait sa détérioration

À cet effet, les moteurs Diesel des engins employés normalement en zones de type 1 doivent être conformes aux dispositions ci-après. • Règles de construction Article 1 er – Les dispositifs d’admission ou d’échappement débouchant en zones de type 1 doivent être composés d’un empilage de plaquettes ou de tout autre dispositif offrant une sécurité équivalente. L’empilage des plaquettes doit répondre aux conditions suivantes : -

les plaquettes doivent avoir au moins 50 mm de largeur et 2 mm d’épaisseur

-

l’interstice maximal entre deux plaquettes voisines est de 0,7 mm. Lorsque les plaquettes sont individuellement démontables, les cales d’espacement doivent faire partie intégrante desdites plaquettes. Ces cales ou bossages sont de même largeur que les plaquettes et sont assez rapprochés les uns des autres pour que l’écartement des plaquettes ne puisse être ramené, par déformation, à une valeur supérieure aux valeurs indiquées ci-dessus. Lorsque les bossages ou cals d’espacement sont traversés par des vis, boulons ou goujons d’assemblage, le joint au droit de ceux-ci, entre le bossage ou la cale d’une plaquette voisine, doit avoir une longueur efficace d’au moins 10 mm.

- le dispositif d’assemblage des plaquettes d’un même empilage doit rendre impossible toute erreur de montage qui aurait pour effet d’accroître l’interstice entre deux plaquettes voisines. La plaquette 4 représente à titre d’exemple, un dispositif satisfaisant à cette condition - les plaquettes d’échappement doivent résister aux agents de corrosion susceptibles d’exercer leur action sur elles au cours du fonctionnement normal de l’appareil sur lequel est monté l’empilage dont elles font partie -

les plaquettes doivent, dans tous les cas, être protégées contre les chocs

- les empilages ou dispositifs doivent être facilement démontables pour le nettoyage. Dans les parties dont le démontage est nécessaire pour l’entretien courant, on doit prévoir l’interposition de joints en métal malléable, à l’exception de joints métalloplastiques, afin de se prémunir contre le risque de corrosion de surfaces de même métal en contact, ou contre le risque de déchirure du joint en service par effet thermique

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D 5 -6/A

Article 2 – L’enceinte dans laquelle circulent les gaz et les fumées, entre les dispositifs d’admission et d’échappement doivent satisfaire aux conditions suivantes : - les joints (1) d’assemblage des pièces constitutives de l’enceinte doivent avoir une longueur d’au moins 25 mm (figures 1a, 1b, 1c et 1d). La longueur des joints constitués par un filet est comptée pour 1,5 fois la hauteur du filet en prise, suivant l’axe de la vis (figure 2). Les trous percés dans les joints d’assemblage de l’enceinte pour recevoir des vis, boulons ou goujons doivent être disposés de manière telle que la longueur efficace du joint au droit de ces trous ne soit pas inférieure à 10 mm (figures 1a, 1b et 1c). L’interstice entre les deux faces du joint, dans le cas d’assemblage plan, ou la différence des diamètres des pièces femelle et mâle, dans le cas d’assemblage à emboîtement cylindrique, ne doit pas excéder 0,3 mm (figures 1a, 1b, 1c et 1d). -

toute pièce mobile qui traverse les parois doit être guidée sur une longueur d’au moins 25 mm ; l’écartement entre la pièce mobile et son guidage ne doit pas être supérieur à 0,3 mm. Lorsque la pièce mobile et son guidage sont limités par deux cylindres concentriques, la différence des diamètres des deux cylindres ne doit pas être supérieure à 0,3 mm (figures 3a et 3b)

-

aucun trou de boulon ou de vis ne doit traverser les parois des enveloppes (figures 1b et 1c)

-

les vis et boulons d’assemblage des éléments des dispositifs d’admission et d’échappement doivent être en nombre tel et disposés de telle manière que les caractéristiques des joints ne soient pas susceptibles d’être modifiées par suite de l’évolution spontanée du métal postérieurement à la fabrication de ces dispositifs

Article 3 : -

les températures de toute surface en contact avec l’atmosphère et celle des gaz d’échappement à leur sortie du tuyau réel d’échappement doivent être inférieures à la température susceptible d’enflammer l’atmosphère des zones où est utilisé le moteur. Dans l’état actuel de la technique, cette température est d’une façon générale fixée à 200°C. Lorsque l’atmosphère d’une zone ne peut contenir que du butane ou du propane commercial, cette température maximale admissible est portée à 300°C ; toutefois, même dans ce cas, la température des surfaces en contact avec l’atmosphère, mais non protégées contre les projections des produits pétroliers (huile de graissage, gasoil, etc.) ne doit, pour les moteurs fixes, excéder en aucun point 200°C.

-

les gaz d’échappement doivent être refroidis soit par pulvérisation d’eau, soit par barbotage, soit par tout autre moyen efficace, de telle sorte que leur température à la sortie du tuyau réel d’échappement n’excède pas la température prescrite ci-dessus

- afin de limiter en toutes circonstances la température des gaz d’échappement évacués aux valeurs citées ci-dessus, le moteur doit être muni d’un dispositif l’arrêtant en cas de dépassement accidentel de cette température (1) Au sens de l’arrêté du 18 juin 1963, espace entre éléments d’enveloppe constituant une communication entre l’intérieur et l’extérieur.

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D 5 -6/A

Article 4 En vue d’arrêter un emballement du moteur qui risquerait d’entraîner sa détérioration, un dispositif spécial automatique, placé sur l’ensemble d’admission du moteur, doit permettre d’assurer simultanément la fermeture de l’aspiration d’air et l’arrêt de l’alimentation en combustible. Ces deux opérations doivent pouvoir également s’effectuer à la main. Le dispositif d’étouffement sur l’aspiration d’air doit être suffisamment étanche par lui-même pour provoquer l’arrêt du moteur, quel que soit son mode d’alimentation (normal ou en air carburé). Le réarmement de ce dispositif doit s’effectuer manuellement ou directement sur l’ensemble d’admission du moteur.

Article 5

D T 2490 A

Le matériel électrique équipant ces moteurs et les engins sur lesquels ces moteurs peuvent être éventuellement montés, doit être de sûreté.

Exemple de joints et d’assemblages

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Risques et Précautions liés au Matériel

INSTRUMENTATION-RÉGULATION-AUTOMATISMES Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I-

D6

CONTRÔLE DE PROCÉDÉ ET BOUCLES DE RÉGULATION

DIFFÉRENTES FONCTIONS DE CONTRÔLE DE PROCÉDÉ ................................................ 1 1 - Opération ........................................................................................................................................... 1 2 - Suivi de la marche du procédé .......................................................................................................... 1 3 - Régulation des paramètres de marche.............................................................................................. 2 4 - Automatismes .................................................................................................................................... 2 5 - Optimisation....................................................................................................................................... 3 6 - Conclusion : niveaux de contrôle....................................................................................................... 3

II -

PRINCIPE ET CONSTITUTION D'UNE BOUCLE DE RÉGULATION ...................................... 4 1 - Différentes fonctions intervenant dans une boucle de régulation ...................................................... 4 3 - Différents types de signaux ............................................................................................................... 5

III -

SYMBOLISATION ..................................................................................................................... 6 1 - Symbolisation fonctionnelle ............................................................................................................... 6 2 - Symboles d'instrumentation .............................................................................................................. 7

IV -

BOUCLES PNEUMATIQUES.................................................................................................... 9 1 - Alimentation d'un appareil pneumatique et transmission des signaux .............................................. 9 2 - Avantages-Inconvénients des boucles pneumatiques..................................................................... 13

V-

BOUCLES ÉLECTRIQUES ..................................................................................................... 14 1 - Alimentation d'une boucle électrique et transmission des signaux................................................. 14 2 - Avantages-Inconvénients des boucles électriques.......................................................................... 16 3 - Exemple de boucle électrique.......................................................................................................... 16

VI -

BOUCLES NUMÉRIQUES ....................................................................................................... 17 1 - Principe de fonctionnement d'une boucle dite "numérique"............................................................. 17 2 - Communication numérique .............................................................................................................. 19 3 - Liaisons numériques ........................................................................................................................ 23 4 - Avantages-Inconvénients des boucles "numériques"...................................................................... 26 5 - Exemples de boucles numériques................................................................................................... 26

VII - BOUCLES TOUT OU RIEN...................................................................................................... 27 1 - Boucles à manque d'énergie............................................................................................................ 27 2 - Boucles à émission d'énergie .......................................................................................................... 27 3 - Exemple de boucle tout ou rien........................................................................................................ 28

IR REG - 00589_E_F - Rév. 2

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23/03/2005

-1/A

1

I-

D 6 -1/A

DIFFÉRENTES FONCTIONS DE CONTRÔLE DE PROCÉDÉ Les mesures et la régulation auxquels sont associés les automatismes et séquentiels d'opération constituent un domaine technique tout à fait primordial dans la conduite des procédés continus.

1-

OPÉRATION a - Les opérations -

de démarrage et d'arrêt

d'une installation fonctionnant en continu, nécessitent à l'opérateur de conduite de disposer des commandes Tout Ou Rien et analogiques de tous les points intervenant dans la procédure correspondante. Ceci impose, en général, de pourvoir bipasser l'action d'un certain nombre d'automatismes de sécurité. Si l'installation est conduite par un système numérique, les procédures les plus répétitives sont automatisées et le bipassage des automatismes de sécurité nécessaires au démarrage de l'installation est alors réalisé par ces procédures séquentielles (qui assurent aussi leur remise automatique en service après une temporisation prédéfinie). b - Les procédures séquentielles d'opération Elles permettent d'assurer, de façon absolument fiable, toutes les tâches présentant un certain caractère répétitif -

2-

allumage d'un brûleur mise en reflux total d'une tour de distillation mise en recirculation d'une section d'unité …

SUIVI DE LA MARCHE DU PROCÉDÉ Le rôle de l'instrumentation est d'abord de fournir des informations concernant les conditions de fonctionnement des installations de fabrication. Il s'agit le plus souvent de grandeurs physiques simples comme les pressions, débits, niveaux, températures, mais aussi de variables élaborées comme des compositions chimiques ou des caractéristiques diverses de qualité : densité, viscosité, pH, … Des alarmes (visuelles ou sonores) avertissent l'opérateur lorsqu'une grandeur opératoire s'écarte de sa valeur habituelle.

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2

3-

D 6 -1/A

RÉGULATION DES PARAMÈTRES DE MARCHE La régulation a pour but de réaliser le contrôle continu des principaux paramètres de marche du procédé. Elle se traduit essentiellement par la présence de nombreuses boucles de régulation qui ont deux objectifs principaux : - elles permettent au procédé de réagir à différentes perturbations en gardant constants les paramètres régulés. Par exemple : •

le niveau qui sépare les phases liquide et vapeur dans un ballon est maintenu constant grâce à la régulation de niveau qui s'adapte aux différentes perturbations : changement de débit d'alimentation, variation de pression, etc. Cela permet d'éviter des incidents graves tels que l'envoi de liquide dans le circuit gaz ou l'inverse

•

la température de sortie du produit réchauffé dans un four est toujours régulée. Cela permet une adaptation automatique de la chauffe quand les conditions changent ; variation du débit ou de la température du produit à réchauffer, changement des caractéristiques du combustible, etc.

•

la régulation des pressions de fonctionnement des colonnes de distillation est une nécessité pour obtenir un fonctionnement stable. Ainsi, cette régulation doit s'adapter aux variations de température de l'air ambiant utilisé comme fluide de réfrigération dans les condenseurs de tête des colonnes

•

les débits d'alimentation des unités ainsi que ceux qui circulent entre unités et bacs ou de bacs à bacs doivent être connus donc mesurés. Certains d'entre eux doivent être régulés pour assurer un fonctionnement stable des unités

- les boucles de régulation constituent pour l'opérateur, qui est informé par l'instrumentation des conditions de marche, le moyen d'action sur les conditions de fonctionnement d'une installation. Il peut ainsi parfaire les réglages, les modifier en fonction des consignes de fabrication, ou faire évoluer les conditions de marche dans les phases transitoires ou perturbées.

4-

AUTOMATISMES Identiques dans leur principe, mais différents dans leur finalité, les automatismes peuvent se différencier entre automatismes de sécurité et automatismes de procédé. a - Automatismes de sécurité Les "sécurités" ou "protections" comprennent tous les automatismes qui démarrent ou arrêtent automatiquement certains équipements ou parties d'unité lorsqu'une divergence excessive des conditions de marche conduit à un risque humain ou matériel. Leur by-passage à travers l'interface de conduite n'est pas autorisé. b - Automatismes de procédé Ils comprennent tous les automatismes qui ne correspondent pas à un risque humain particulier ; mais plutôt à la protection d'un matériel ou d'une machine et tels que : -

la protection anti-cavitation des pompes etc.

Dans la mesure où il s'agit d'une procédure nécessaire d'opération, leur by-passage à travers l'interface de conduite est prévu. 00589_E_F

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3

5-

D 6 -1/A

OPTIMISATION L'optimisation énergétique d'une installation un peu complexe nécessite des programmes informatiques lourds qui ne peuvent fonctionner que sur des calculateurs de grande puissance. Le passage en mode de "Supervision" des boucles concernées par cette optimisation est assurée par l'opérateur de conduite, sous réserve (contrôlée par le programme) que l'installation se trouve dans des conditions de fonctionnement qui le permettent. Le programme en question assure aussi le retour en régulation de base en cas de constatation d'une quelconque anomalie de fonctionnement du Process en cours d'optimisation. Cette optimisation se fait le plus souvent par l'intermédiaire d'algorithmes de régulation multivariable qui, par action simultanée sur plusieurs "grandeurs manipulées" de l'installation permettent de maintenir les "grandeurs contrôlées" entre les consignes mini et maxi d'opération (lesquelles sont en général) des caractéristiques physiques, chimiques ou de composition des produits fabriqués). Elle s'appuie sur un "modèle statique" du procédé pour fixer les conditions de marche de façon à satisfaire une combinaison composition/quantité des produits fabriqués.

6-

CONCLUSION : NIVEAUX DE CONTRÔLE On peut donc considérer que les niveaux de contrôle dans une installation sont au nombre de 5 : -

mesures régulations de base composition et caractéristiques des produits optimisation ordonnancement de la fabrication

chaque niveau pilotant le niveau directement inférieur.

ORDONNANCEMENT

OPTIMISATION COMPOSITION ET CARACTÉRISTIQUES

DES PRODUITS

MESURES

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D IRA 055 A

RÉGULATIONS DE BASE

4

II -

D 6 -1/A

PRINCIPE ET CONSTITUTION D'UNE BOUCLE DE RÉGULATION 1-

ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS D'UNE BOUCLE DE RÉGULATION Pour mettre en œuvre la boucle de régulation de niveau de la phase liquide d'un ballon,. les éléments constitutifs suivants sont nécessaires..

UNITE

Alarmes

Capteur niv. haut niv. bas

SALLE DE CONTROLE

transmetteur Régulateur Alim

Consigne

Alim.

Positionneur

Enregistreur

Vanne de régulation

D IRA 054 A

Alim.

Boucle de régulation de niveau La mesure de niveau est assurée par le capteur et dirigée vers le transmetteur. Celui-ci transforme la mesure en un signal et le transmet au régulateur qui, par ailleurs, a reçu une consigne de hauteur de niveau. Le régulateur compare la mesure à la consigne et, s'il existe un écart, agit sur le servo moteur de la vanne de régulation par un signal de commande dans le sens voulu pour ramener la grandeur réglée à la valeur de consigne. Un positionneur généralement installé sur la vanne automatique, vérifie en permanence que la position réelle de la vanne correspond bien à la position théorique correspondant au signal régulateur. Dans le cas contraire, il modifie la pression d’air sur le servo moteur jusqu’à concordance de ces deux positions. La mesure est visualisée en continu sur un indicateur ou un enregistreur. La présence supplémentaire d'alarmes de niveau haut et bas permet de prévenir l'opérateur en cas de remplissage anormal ou de vidange excessive du ballon. Dans d'autres cas de boucles de régulation, la vanne automatique peut être remplacée par un organe de réglage ou actionneur tel que ventelles, servomoteur pour orienter les pales d'un ventilateur, etc.

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5

2-

D 6 -1/A

DIFFÉRENTS TYPES DE SIGNAUX Dans une boucle de régulation ou d'automatisme, les différents appareils sont reliés entre eux et les informations circulent le plus souvent : - soit sous forme de pression d'air - soit sous forme de courant électrique continu - soit sous forme d'information numérique Les signaux sont alors appelées respectivement signaux pneumatiques, électriques et numériques. Les signaux pneumatiques et électriques, qui sont des signaux continus, sont dits analogiques. En numérique, les signaux sont émis à intervalles de temps réguliers (seconde ou fraction de seconde correspondant à la période de scrutation). Application Donner la correspondance "numérique" du signal analogique représenté

Signal 4

4

3

3

2

2

1

1 0

1

2

3

4

5

Temps

0

1

2

Signal analogique

3

4

5

Temps

Signal numérique

Dans certaines applications la transmission de signaux optiques analogiques ou numériques se fait par l'intermédiaire d'une fibre optique, principe de transmission qui présente plusieurs avantages techniques (en particulier au point de vue de l'atténuation des signaux). Les boucles dont les paramètres n'ont que deux états possibles sont appelées boucles Tout 0u Rien (TOR), Logiques ou Digitales. Cela concerne entre autres : - les contacteurs d'alarme (exemple : alarmes de niveau haut et bas sur le ballon précédent), - les contacteurs de fin de course sur les vannes, - les électrovannes, - les actionneurs TOR (vannes, moteurs, …), commandés par automatismes ou non

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D IRA 037 A

Signal

6

III -

D 6 -1/A

SYMBOLISATION Divers symboles normalisés sont utilisés pour repérer et identifier les éléments d'une boucle de régulation. Ils sont généralement conformes à la Norme ISA (Instrument Society of America) ; toutefois, chaque société utilise un certain nombre de symboles non normalisés.

1-

SYMBOLISATION FONCTIONNELLE La symbolisation d'une boucle de régulation peut s'effectuer de deux façons : -

soit appareil par appareil, soit globalement.

Ainsi, pour la boucle de régulation précédente, ces deux possibilités sont schématisées ci-après: a - Symbolisation instrument par instrument

LE 103

TRANSMETTEUR

RÉGULATEUR

LT 103

Liaison mécanique

LC 103 Liaison électrique

LR 103

LV 103

D IRA 056 A

CAPTEUR

VANNE AUTOMATIQUE b - Symbolisation globale

D IRA 056 B

LRC 103

LV 103

Régulation de niveau avec enregistrement, le niveau étant maintenu par action sur la vanne automatique de soutirage liquide du ballon.

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7

2-

D 6 -1/A

SYMBOLES D'INSTRUMENTATION *Lignes de tuyauterie et d'instrumentation Alimentation d'instrument ou connexion au process

Tuyauterie process secondaire / sens du fluide

Signal pneumatique

Tuyauterie tracée

Signal électrique TOR

Tuyauterie chemisée

Signal électrique analogique

Ligne du catalyseur ou process special

Signal numérique

D IRA 038 A

Tuyauterie process principale / sens du fluide

Tube capillaire

*Code des lettres - Repères pour instruments PREMIÈRE LETTRE VARIABLE MESURÉE OU INITIANTE A

Analyse

B C D E F G H

Brûleur, combustion

Manuel

I J K

Intensité Puissance Temps ou programme

L M

Niveau

MODIFICATEUR

LETTRES SUIVANTES LECTURE OU FONCTION PASSIVE

FONCTION ACTIVE

MODIFICATEUR

Alarme Régulateur Différentiel

Tension Débit

Élément primaire Proportion Visibilité Haut Indicateur Scrutation Vitesse de variation, rampe

Station de commande Voyant lumineux

Bas Moyen intermédiaire

Momentané

N O P

Pression, vide

Q R S T U V

Quantité, nombre Radioactivité Vitesse, fréquence Température Multivariable Vibration, analyse mécanique

W X Y Z

Poids, force Non classé Présence, état, résultat Position, dimension

Orifice, restriction Connexion pour prise de test Intégration, totalisateur Enregistrement

Multifonctions

Axe Axe Axe

Puits Non classé

Contacteur commutateur Transmetteur Multifonctions Vanne Non classé Relais ou calcul Élément de contrôle final non identifié

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Multifonctions

Non classé

8

D 6 -1/A

* Localisation INSTRUMENT LOCAL

APPLICATION CALCULATEUR : SYMBOLE GÉNÉRAL

INSTRUMENT EN LOCAL TECHNIQUE

APPLICATION CALCULATEUR INACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

INSTRUMENT EN SALLE DE CONTRÔLE

APPLICATION CALCULATEUR ACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

INSTRUMENT AU TABLEAU LOCAL

APPLICATION CALCULATEUR AUXILIAIRE EN STATION LOCALE SYMBOLE GÉNÉRAL POUR FONCTION LOGIQUE OU CONTRÔLE SÉQUENTIEL

INSTRUMENT DANS SNCC NORMALEMENT INACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

TRAITEMENT PAR AUTOMATE PROGRAMMABLE

INSTRUMENT DANS SNCC ACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR EN SALLE DE CONTRÔLE

TRAITEMENT PAR AUTOMATE PROGRAMMABLE EN LOCAL TECHNIQUE NORMALEMENT INACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

ÉLÉMENT DE SYSTÈME DISTRIBUÉ AUXILIAIRE EN STATION LOCALE ACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

TRAITEMENT PAR AUTOMATE PROGRAMMABLE AUXILIAIRE EN LOCAL TECHNIQUE ACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

INSTRUMENT ASSURANT DEUX FONCTIONS

AUTOMATE PROGRAMMABLE AUXILIAIRE EN STATION LOCALE ACCESSIBLE À L'OPÉRATEUR

D IRA 061 A

INSTRUMENT DANS SNCC

BLOCS DE FONCTION

SYMBOLE GÉNÉRAL

À TROIS VOIES

ANGLE

TOURNANT SPHÉRIQUE

À SOUPAPE

PAPILLON

VANNE SPÉCIALE

VANNE SUR CATALYSEUR

À MEMBRANE

D IRA 062 A

* Corps de vannes

*Actionneurs de vannes À MEMBRANE AVEC COMMANDE MANUELLE

M À VERIN SIMPLE OU DOUBLE EFFET

À MOTEUR

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VANNE TOR SYMBOLE GÉNÉRAL

D IRA 063 A

VANNE DE RÉGULATION SYMBOLE GÉNÉRAL

MANUEL

9

IV -

D 6 -1/A

BOUCLES PNEUMATIQUES 1 - ALIMENTATION D'UNE BOUCLE PNEUMATIQUE ET TRANSMISSION DES SIGNAUX a - Caractéristiques d’une boucle pneumatique Le schéma de principe ci-dessous rappelle les éléments constitutifs d'une boucle de régulation pneumatique.

INDICATEUR TRANSMETTEUR Relais pilote RÉGULATEUR Relais pilote

Alimentation air (1,4 bar)

Mesure

Alimentation

CAPTEUR

POSITIONNEUR

D IRA 039 A

Consigne

VANNE DE RÉGULATION

Pour que les différents appareils pneumatiques tels que : -

transmetteur régulateur positionneur pneumatique

puissent fonctionner, il est nécessaire de leur fournir de l’énergie sous forme de pression d’air. A partir du réseau Air-Instrument, l'alimentation en air d'un appareil pneumatique est assurée par un filtre détendeur dont le rôle est de maintenir une pression constante quelle que soit la consommation de l'appareil en question.

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10

D 6 -1/A

Le fonctionnement d’un appareil pneumatique revient toujours à générer un déplacement ou une force. L’émission du signal pneumatique consiste à les transformer en une pression d’air variable ou signal de sortie. Ceci est généralement réalisé par un système buse-palette ou par un montage s’en rapprochant. Le signal émis circule dans un tube métallique (acier, cuivre, inox) dans l’atelier et en tube plastique souple en salle de contrôle. La réception d’un signal pneumatique dans les appareils tels que : -

indicateur et enregistreur régulateur positionneur

s’effectue dans un soufflet

y ; ;; yy yy ;; ; y ; y yy ;; ;; y;yy y ; yy ;; y ; ;yy;yy ;y ;; ;; yy ; y ;yyy yy ;; ;; yy y ; y ; ;; y;y;yy ;; yy ;yyy ;; ; y ;; yy y ; y; ;y ;y yy ;;;;

b - Alimentation d’une boucle pneumatique : le filtre détendeur

La vue extérieure et le principe de fonctionnement de filtres détendeurs sont représentés ci-dessous. Volant de réglage

Ressort principal

Coupelle Membrane Déflecteur Clapet

Chapeau

Orifice d'échappement à l'atmosphère

Sortie air vers appareil utilisateur

Entrée air du réseau Air instrument

Siège

Cartouche filtrante

D IRA 040 A

Ressort du clapet

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Membrane souple

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D 6 -1/A

Principe Un filtre détendeur est constitué : - d'une partie filtre et purge d'eau Le réseau Air-Instrument délivre de l'air normalement sec et dépoussiéré à une pression de l'ordre de 7 bar relatifs sortie compresseurs d'air. Celui-ci alimente le détendeur à travers une cartouche cylindrique creuse en bronze fritté ou en pierre poreuse et dont le rôle est de retenir l'eau et les impuretés qui n'auraient pas été éliminées précédemment - d'une partie détendeur Au travers d'un orifice dont l'ouverture est commandée par un clapet, l'air vient agir sur l'une des faces d'une membrane déformable dont l'autre face est soumise à l'action d'un ressort. La tension de ce ressort est réglable à l'aide d'une vis et va déterminer la pression de sortie de l'air vers l'utilisateur. Excepté certains positionneurs de vanne automatique, tout appareil pneumatique est alimenté en air 1,4 bar relatif c - Émission d’un signal pneumatique : le système buse-palette

1,4

P (bar rel.)

1,2

bar rel.

1,0

x

0,8

restriction Pression d'alimentation

A

P

0,6

buse Relais pilote

palette

0,4 0,2 0

B 56µ 0,05

0,1 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

x (mm)

Signal de sortie Système buse-palette

Variation du signal en fonction de la distance buse-palette

Une palette dont le déplacement représente l'information de sortie de l'appareil est placée devant une buse alimentée en air 1,4 bar à travers une restriction. Quand la palette est éloignée de la buse, le signal est pratiquement nul ; il augmente jusqu'à une valeur maximale voisine de la pression d'alimentation quand la palette se rapproche de la buse.

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D IRA 034 A

1,4

12

D 6 -1/A

Sur la courbe précédente qui donne la variation de la pression de sortie de la buse en fonction de la distance buse-palette, on remarque que seule la zone AB est utilisable car pratiquement linéaire ; elle correspond à une variation de pression de 800 mbar pour un déplacement de la palette de 50 à 80 µ suivant les constructeurs. D'où le choix de l'échelle de pression des signaux pneumatiques : 0,2 bar - 1 bar, soit 3-15 PSI en Unités anglo-saxonnes (0,208 bar - 1,030 bar) La buse, dont le diamètre peut varier de 0,3 à 1,2 mm, laisse passer un débit d'air de 30 à 60 l/h. La restriction a un diamètre plus petit que celui de la buse (0,2 à 0,5 fois son diamètre) afin que le débit d'alimentation du système ne puisse compenser la fuite. Un amplificateur de débit appelé relais-pilote est placé sur le circuit de sortie pour diminuer le temps de réponse vers les appareils placés à distance. Son signal de sortie, identique en pression à celui délivré par le système buse-palette mais de débit plus important, est appelé souvent air modulé. Application Quelle est la pression du signal émis par un transmetteur pneumatique correspondant aux valeurs suivantes : Mesure

Signal transmetteur

0% 25 % 50 % 75 % 100 %

bar bar bar bar bar

d - Réception d’un signal pneumatique Le signal pneumatique est reçu dans un soufflet pour être transformé en une force utilisable. A titre d’exemple le schéma ci-dessous illustre le fonctionnement d’un indicateur pneumatique. Le signal est transformé par un système soufflet-embiellage en un déplacement d’une aiguille devant un cadran. Le cadran de ce type d’appareil est généralement gradué de 0 % à 100 % : -

le 0 % correspondant à un signal de 0,2 bar le 100 % correspondant à un signal de 1 bar

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13

;y;yy; yy y;;;

D 6 -1/A

Soufflet

Attache flexible

bar 0,2 1

Signal pneumatique venant du transmetteur

Résistance réglable

Ensemble axe de plume

D IRA 035 A

Réglages de zéro et d'étendue d'échelle

Échelle

Indicateur pneumatique

2-

AVANTAGES - INCONVÉNIENTS DES BOUCLES PNEUMATIQUES Avantages : -

insensibilité aux parasites industriels tels que inductions parasites, champs magnétiques pression d’air directement utilisable sur une membrane ou un piston conviennent bien à la sécurité incendie (pas de génération d’étincelles, bonne tenue au feu)

Inconvénients : -

lenteur de transmission portée limitée (quelques centaines de mètres en tube 4//6 ou 6/8) coût d’installation élevé sensibilité à l’humidité et aux poussières nombreuses pièces mécaniques en mouvement difficulté d’effectuer sans conversion des calculs élaborés

Néanmoins, il existe encore de nombreuses boucles pneumatiques et il s’en installe de nos jours pour des applications simples (ex : régulation locale de pression ou de niveau, sécurité locale, …).

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14

V-

D 6 -1/A

BOUCLES ÉLECTRIQUES 1-

ALIMENTATION D'UNE BOUCLE ÉLECTRIQUE ET TRANSMISSION DES SIGNAUX Un bloc d'alimentation, situé en salle de contrôle, relie par 2 fils un circuit où l'on trouve en série le transmetteur et une résistance fixe de 250 Ω et en parallèle de la résistance le régulateur.

HP

+

BP

-

-

Alim.

50 Hz 220 V

U R = 250 Ω 4/20 mA

+

-

RÉGULATEUR

4/20 mA signal régulateur

Vanne de régulation avec positionneur électropneumatique

BLOC

Alimentation électrique 220 V 110 V 24 V cc

D IRA 058 A

mesure

+ (10 à 55 V) U fixe

Procédé Ce montage est parfois appelé montage en parallèle. La tension continue fixe délivrée par le bloc d'alimentation est de 10 V à 55 V suivant les constructeurs de matériel. Le 24 V est toutefois le plus utilisé, c'est cette tension fixe qui est utilisée comme vecteur électrique de la mesure. Le transmetteur peut être assimilé à une résistance variable Ri placée dans le circuit électrique.

+ (10 à 55 V) U fixe

+

ALIM.

– TRANSMETTEUR (R variable)

+ Signal de mesure 4-20 mA

250 Ω

– D IRA 042 A

–

BLOC

REGULATEUR (R fixe)

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50 Hz 220 V

15

D 6 -1/A

Les variations de mesure se traduisent par des variations de la résistance interne du transmetteur et donc de la résistance totale Rt du circuit. L'intensité i du courant de mesure varie en sens inverse de cette résistance Rt selon la loi d'Ohm. U = Rt • I

ou

I=

U Rt

avec Rt = Ri + 250 U Rt I

en Volt en Ohm en Ampère

v Ω A

Le transmetteur est étalonné pour que l'intensité du courant passant dans le circuit varie de 4 à 20 mA en général, quand la mesure fluctue de 0 à 100 % de l'échelle. Le signal minimal de 0 mA n’est pas utilisé pour éviter la confusion avec une rupture du circuit. Application Quelle est la tension aux bornes de la résistance fixe de 250 Ω et donc aux bornes du régulateur, correspondant aux valeurs suivantes de la mesure ? MESURE

SIGNAL TRANSMETTEUR

TENSION AUX BORNES DES APPAREILS (U = RI)

0%

mA

U=

x

=

50 %

mA

U=

x

=

100 %

mA

U=

x

=

Une tension variable de 1 à 5 V, et représentative de la mesure, peut alors être présentée à un nombre quelconque d'appareils sans aucune gêne et la mise hors service de l'un d'entre eux ne perturbe en rien le fonctionnement des autres.

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16

2-

D 6 -1/A

AVANTAGES-INCONVÉNIENTS DES BOUCLES ÉLECTRIQUES Avantages - Temps de réponse instantané, - Très bonne précision, - Signaux facilement utilisables par un calculateur (supervision, optimisation, etc.) ou dans un Système Numérique de Contrôle Commande (SNCC) après conversion en numérique. Inconvénients - Risque de perturbations des signaux par l'environnement (champs électromagnétique, …) - Boucle agréée pour atmosphère explosive (boîtier antidéflagrant, sécurité intrinsèque, etc), - Mauvaise tenue des câbles au feu.

3-

EXEMPLE DE BOUCLE ÉLECTRIQUE L'exemple ci-dessous montre le schéma de montage d'une boucle électrique de régulation de débit. UNITÉ

Appareils

SALLE DE CONTRÔLE BJ

Armoire

Borniers

Arrière tableau

Face avant tableau

220v

23

1

24

3

+

5 250 Ω 220v

+ -

50Hz

24

2

33

5

34

6

+ -

ENREGISTREUR

4 220v 12

19

ALIMENTATION stabilisée

250 Ω

21

33

22

34

27

35

20

+ -

RÉGULATEUR 25

+ 26

14

28

36

-

Schéma de montage d'une boucle de régulation électrique

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D IRA 043 A

+ -

13

17

VI -

D 6 -1/A

BOUCLES NUMÉRIQUES 1-

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE BOUCLE DITE "NUMÉRIQUE" Actuellement la plupart des transmetteurs, (à l'exception, partiellement, de ceux dits "intelligents") et la majorité des organes de réglages fonctionnent avec des signaux analogiques. Seuls quelques systèmes d'acquisition de données sur des capacités de stockage (niveaux, températures, densité, etc.) fonctionnent entièrement en numérique. Les boucles numériques concernent donc essentiellement le fonctionnement interne des régulateurs numériques autonomes et les signaux émis à l'intérieur d'un Système Numérique de Contrôle Commande (SNCC). Des interfaces ou convertisseurs analogique/numérique A/N sont alors nécessaires entre les différents éléments de la boucle. Le schéma ci-dessous illustre un exemple de boucle de régulation "numérique" de niveau. Consigne : C

MC A/N

LC

MC N/A

4-20 mA INTERFACE

Régulateur numérique (autonome ou de SNCC)

LT

4-20 mA

INTERFACE D IRA 044 A

Mesure : M

Signal de coummande ou Signal de sortie : S

Les signaux d'entrée analogiques (ou mesures) sont scrutés à intervalles de temps réguliers Ts pour donner une suite de valeurs discontinues dites discrètes. Chaque valeur discrète est transformée suivant un code déterminé en un signal numérique dans un convertisseur analogique/numérique. Cette information numérique se présente sous l'aspect d'une succession d'états électriques qui traduisent des états binaires appelés bits (contraction de "binary digit"). L'ensemble de l'information constitue un mot. Signaux d'entrée analogiques

V

20

5

4

SCRUTATION 1

Valeurs discrêtes

CONVERSION NUMERIQUE

temps Ts

temps Ts

T s = Temps de scrutation

D IRA 045 A

mA

Traitement de la mesure

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suite discontinue de mots binaires

Temps

18

D 6 -1/A

Dans le cas d'un régulateur numérique, la mesure, traduite en mots binaires grâce à des codes, sert au calcul périodique du signal de sortie (fonction de l'écart M-C et du réglage des actions PID). Celui-ci est une suite de valeurs discrètes. Après transformation dans un convertisseur numérique/analogique et traitement dans une mémoire analogique, qui bloque la valeur entre deux réactualisations, il en résulte un signal de sortie analogique en escalier. Le temps de réactualisation TR peut être égal ou supérieur au temps de scrutation Ts suivant le comportement de la boucle dans le procédé. Plus les temps de scrutation et de réactualisation sont courts (en général de l'ordre de 1 à quelques dixièmes de secondes), plus le signal de sortie en escalier du régulateur numérique est assimilable au signal de sortie du régulateur analogique. Le développement actuel des transmetteurs numériques et celui, futur, des organes de réglages (ex : positionneur numérique - pneumatique d'une vanne automatique) permettent d'envisager dans un proche avenir la réalisation de boucles de régulation entièrement numériques.

UNITÉ ZONE HF

LOCAL TECHNIQUE BJ PNEUMATIQUE BJ PNEUMATIQUE

ARRIÈRE TABLEAU

TABLEAU SALLE DE CONTRÔLE

ARMORE I - 001 220v

DJ31 C6ON 6A COURBE C

FT.1B CN1

FE.1B

BN.220-3 13 14

Sect.

B2 B4 B6 B8 B10 Z2 Z6 Z8 Z10 Z4 TRANSMETTEUR MICRO-MOTION RF T9739

P N T

AL.FT.1B

CN2

- 028 + 228 - 030 + 230

2500

-

30 32 +

20

20

+

BJ-HF-A1

FV.1B

RÉGULATEUR T.C.S 41 TYPE T640 + 42 FC1B

-

-

FY.1B

Alim. Air 1,5b

AL.FR.1A/B

16 4 +

ALIMENTATION ≅ T.C.S ≅ 220v≅ / 24v=

Exemple du boucle mixte numérique analogique avec : -

FT.18-FR1A/B-V2

-

2500

BJ-HF-A1

BJ-HF-A1

ENREGISTREUR 2 CHESSEL 4 TYPE 342D FR.1A/B

Alim. Air 1,5b

11 12

capteur numérique liaison numérique capteur-transmetteur transmetteur numérique liaison 4-20 mA transmetteur régulateur régulateur numérique liaison 4-20 mA puis 0,2 - 1 bar régulateur-vanne

00589_E_F

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AL.FC.1B

D IRA 046 A

rouge jaune orange blanc gris marron violet vert bleu noir

DJ30 C6ON 6A COURBE C

19

2-

D 6 -1/A

COMMUNICATION NUMÉRIQUE a - Conversion A/N Les systèmes numériques actuels utilisent toujours des signaux analogiques. Ceci nécessite l'échantillonnage de ces signaux à intervalle de temps régulier afin d'obtenir une suite de valeurs discrètes. Chaque valeur discrète va pouvoir ainsi être convertie en une valeur numérique suivant un code bien défini. Ce code se présente sous la forme d'une succession d'états binaire (0 ou 1). Cet état binaire est défini comme étant l'élément de base de l'information numérique, le bit. Chaque bit peut prendre deux états logiques le "0" ou le "1". 1 bit

0 = "0 logique" 1 = "1 logique"

Le signal numérique traduisant la valeur de la variable analogique comprend plusieurs bits. Les bits sont groupés 8 par 8 pour former les octets 1 octet = 8 bits et 1 kilo octet = 1 ko = 210 octets = 1024 octets Les octets sont ensuite groupés pour former les mots. La taille des mots habituellement utilisés pour les signaux numériques varie de 8 bits (1 octet) à 32 bits (4 octets). La conversion d'un signal variable analogique en un signal numérique est bien entendu d'autant plus précise que la taille des mots est importante. - Cheminement de la conversion du signal analogique en signal numérique Exemple d'une mesure de pression

2 - Élaboration du signal analogique 4-20 mA délivré par le transmetteur

3 - Mesure du signal 4-20 mA analogique sur une des voies du convertisseur A/N. Sélection de la voie à la période de l'échantillonnage et génération d'une valeur discrète. Prélèvement à chaque période de la valeur discrète et conversion en informations numériques

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20 bar

4

6

8

10

12

14

16

18

20 mA

Information numérique mot binaire

0

1

2

3

4

5

Équivalent décimal du mot binaire

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6

7

Signal numérique D IRA 334 A

1 - Évolution de la grandeur physique mesuré par le capteur PRESSION

20

D 6 -1/A

b - Résolution de la conversion Application : conversion d'une mesure de pression 0-20 bar en mot de 3 bits Compléter le tableau ci-dessous Signal analogique

Signal numérique

bar

%

mA

0

0

4

Numérotation des intervalles en décimales

Numérotation des intervalles en binaires 4 2 1

6

8

10 12 14 16

20

100

D IRA 335 A

18 20

Quel est le mot binaire de 3 bits qui représente une pression de 11,3 bar dans la capacité ?

En déduire la résolution (précision sur la conversion) du signal obtenu avec un mot de 3 bits : -

en %

-

en bar

00589_E_F

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D 6 -1/A

La résolution est d’autant meilleure que le mot binaire comporte un nombre de bits important. Si le mot est de 12 bits, le nombre d'intervalles correspondant est de :

La résolution du signal en bar et en % est donc de :

bar

% c - Structure d'un élément binaire Classiquement on représente un élément binaire par un état de présence ("1 logique") ou d'absence ("0 logique") de signal électrique (courant ou tension)

1

0 1

1

1 0 0 0

D IRA 047 A

L'exemple ci-dessous, d'un mot de 8 bits, illustre cette représentation :

La structure d'un élément binaire dépend des fabricants de matériel et peut être plus complexe. Exemples Dans le système Honeywell TDC le "1 logique" et le "0 logique" ont la structure suivante : Volts "1" Logique

"0" Logique

0,9 V 0 volts

t

1 s 250 000 1 bi t

1 s 250 000 1 bi t

00589_E_F

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D IRA 048 A

0,9 V

`

22

D 6 -1/A

Le protocole BELL 202 utilisé chez Rosemount donne un signal codé par changement de fréquence émis à 1 200 Baud. + 0, 5

D IRA 049 A

0

– 0, 5 2200 Hz "0" logique

1200 Hz "1" logique d - Messages binaires

En réalité un message binaire (appelé parfois “Paquet” ou “Bloc”) comporte 3 types d'information : - des informations numériques vues précédemment et caractérisant la valeur de la mesure ou du signal de commande exprimés en mots binaires de 1 à 4 octets, (8 à 32 bits) - des informations assurant la validité du message : bits de début et de fin de message, bits de parité pour détecter une erreur de transmission, - des informations codées relatives au message : • adresses du message : origine et destinataire, • longueur du message, • données spécifiques (ex : codage utilisé) Par exemple, le message émis par un transmetteur numérique de pression peut comporter les données suivantes : . repère du transmetteur, . descripteur, . unités (bar, Pascal, mm/Hg, etc.), . zéro et échelle, . limites du capteur, . référence constructeur, . matériaux utilisés, . etc. Ces informations sont nécessairement codées car elles utilisent des caractères alphanumériques et des symboles qui doivent être traduits en numérique pour être utilisables. Le code le plus répandu est le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) normalisé à 7 bits (8 bits avec le bit de parité).

Bit de début message

Informations codées

Données numériques

Informations codées

Structure d’un message binaire 00589_E_F

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Bit de fin message

D IRA 050 A

Le schéma ci-dessous illustre simplement la structure d’un message binaire.

23

3-

D 6 -1/A

LIAISONS NUMÉRIQUES a - Bus et protocole de communication Les liaisons numériques s'appuient sur un support matériel appelé bus qui permet aux appareils de communiquer ensemble et sur un protocole qui définit un ensemble de règles pour les échanges entre les différents appareils. • Bus Dans le bus, les communications peuvent s'effectuer en parallèle ou en série. Liaison numérique parallèle

Liaison numérique série Liaison numérique

Liaison numérique

symbolisée

symbolisée

1 0

8 câbles

1 1 1

0

1

1

1

1

0

0

0 1 câble

0 Message binaire

0

Message binaire

D IRA 051 A

0

Dans la liaison parallèle, chaque bit d'un mot circule dans un câble différent ce qui permet des vitesses d'échange élevées mais nécessite autant de câbles (jusqu’à 32) en parallèle que de bits constituant un mot. C'est un type de liaison utilisé très couramment pour les liaisons courtes internes (bus interne) ou externes (vers écran vidéo ou imprimante). Dans la liaison série, le mot entier circule sur un même câble. Cette liaison minimise le nombre de câbles et est utilisée pour de grandes distances. Le bus est alors un câble électrique coaxial, téléphonique ou bifilaire parallèle ou une fibre optique. De par le principe du numérique, les liaisons parallèle ou série autorisent le passage simultané de plusieurs messages différents dans le même bus, en particulier grâce aux différentes informations contenues dans un message. • Protocole Le protocole de transmission est un ensemble de règles qui définissent les échanges entre éléments. Cela concerne : 00589_E_F

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24

D 6 -1/A

-

la vitesse d'échange exprimée en Baud (1 Baud = 1 bit par seconde). Elle varie de 1 200 Bauds à quelques Méga Bauds suivant les systèmes et les fabricants), - les modes de transmission : bits de début et de fin de message, bit de parité, structure des bits de données, etc., - les codes de transmission (ex : Code ASCII). b - Bus pour signaux électriques Ce sont des câbles électriques de technologie connue. Ils présentent les caractères spécifiques suivants : - le câble téléphonique formé de paires téléphoniques a une assez grande sensibilité aux perturbations électromagnétiques et une vitesse d'échange peu élevée (2 Mega Bauds), - le câble coaxial a une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques et permet une grande vitesse d'échange (jusqu’à 300 Mega Bauds). c - Bus pour signaux optiques : fibres optiques Principe

Fibre optique

Entrée MODULATEUR numérique (ou analogique)

DÉMODULATEUR

Sortie numérique (ou analogique)

D IRA 057 A

Les signaux électriques sont transformés en faisceaux lumineux, véhiculés dans un guide, la fibre optique , puis transformés de nouveau en signaux électriques. L'information circulant dans la fibre optique est généralement numérique (cas d'un bus) mais peut être analogique.

Schéma de principe d'une liaison optique Constitution des fibres optiques Les fibres optiques sont constituées : -

d'un coeur d'indice de réfraction n1 placé dans une gaine optique d'indice de réfraction n2 plus faible, d'une enveloppe extérieure de protection.

Les rayons lumineux sont guidés par le coeur si leur angle d'incidence est supérieur à un angle limite dépendant de n1 et n 2. Les couples de matériaux les plus fréquemment utilisés sont : verre/verre, silice/silicone.

n1

n

n

D IRA 052 A

120 µm

n2

Schéma de principe d'une fibre optique avec diode laser Industriellement les fibres optiques sont regroupées et incorporées dans un câble optique assurant la rigidité mécanique et la protection contre l'humidité et la lumière.

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D 6 -1/A

Émission-Réception La transformation des signaux électriques en faisceaux lumineux est réalisée, après modulation, par une source lumineuse. Les fibres optiques présentant des minima d'atténuation à certaines longueurs d'ondes, l'émission lumineuse s'effectue par un émetteur optique émettant à ces longueurs d'ondes. On utilise généralement les diodes Laser présentant un rayonnement très directif (6 à 8°) Longueurs d'onde Débit

: λ = 1,3 à 1,6 µm : jusqu'à 5 G.Baud (5 x 109 Bauds)

A la réception, on utilise des photo diodes qui délivrent un signal électrique dépendant de la quantité de lumière reçue. Avantages-Inconvénients Par rapport aux bus pour signaux électriques, les fibres optiques présentent les avantages et les inconvénients suivants : - réduction de taille et de poids, - insensibilité aux parasites électriques et électromagnétiques sauf aux rayons ionisants, - parfaite sécurité en zone explosive, - impossibilité de transmission de puissance, - technologie élaborée des systèmes de raccordement aux émetteurs-récepteurs et de connexion bout à bout entre fibres. d - Liaisons par ondes radio Principe Les messages binaires, après conversion dans un modem, sont transmis par ondes hertziennes entre un émetteur et un récepteur distants parfois de plusieurs dizaines de kilomètres. Exemples -

plate-forme en mer et salle de contrôle à terre capteurs et actionneurs répartis dans la nature et salle de contrôle unique très éloignée

Dans ce système, la transmission du message est basée sur un codage binaire porté par un signal hertzien à modulation d'amplitude ou de fréquence. Le 0 logique correspond à une impulsion étroite et le 1 logique correspond à une impulsion large. Un intervalle de durée toujours égale sépare chaque message binaire de ses voisins. Avantages - Inconvénients Les ondes hertziennes sont à propagation multidirectionnelle et donc capables de franchir les obstacles non métalliques. Toutefois cet avantage peut créer des interférences et entraîner des anomalies de fonctionnement. On y remédie en limitant généralement la portée de l'émetteur ce qui nécessite d'installer des stations de répétition intermédiaires pour la transmission sur longue distance.

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4-

D 6 -1/A

AVANTAGES-INCONVÉNIENTS DES BOUCLES "NUMÉRIQUES" Avantages - Signaux peu sensibles aux perturbations et dont la précision ne se dégrade pas lors d'une communication. Le bit représenté par une suite d'impulsions ne dépend pas de la dimension de ces impulsions. Même affaibli, le bit transmis reste le même. - Signaux directement utilisables dans un calculateur ou un SNCC, - Très grandes possibilités de configuration (échelle, zéro, unités, etc.) et facilité de dialogue avec les instruments numériques tels que transmetteurs, - Nouvelles fonctions (ex : PID auto-adaptatif) irréalisables en analogique, - Possibilité de connecter plusieurs appareils sur la même liaison numérique, ce qui permet de réduire les coûts de câblage et d'installation. Inconvénients -

Normalisation des liaisons (bus, protocole) en cours et donc très imparfaite, ce qui pose des problèmes de compatibilité entre appareils de constructeurs différents, - Actuellement, boucles en général hybrides (analogique - numérique), - Nécessite des compétences nouvelles pour l'utilisateur.

5-

DIFFÉRENTS TYPES DE BOUCLES NUMÉRIQUES a - Boucle hybride analogique-numérique UNITÉ

Appareils

Liaisons

LOCAL TECHNIQUE BJ

Liaisons

Bornier d'entrée

Convertisseur

Bornier calculateur BNCA 5

17

18 16FC512

R 23

BRC 52 3

+

1

16FC512

BNIM 5

TDC

B1 + 105 F 035 -5

BRC 52 3 4

23 16 15

3 4

24

R 30 11

11

27

12

12

28

TC 320-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

T 34 +24 PV4 16FG512 SC PV 12 OUI COM 50 A 50 B A L +24 D IRA 059 A

+

R 41

Châssis calcul

b - Boucle numérique La planche n°1 en annexe illustre une boucle numérique d'acquisition de mesures (niveau par palpeur, pression, température, contacteurs de niveaux) sur des réservoirs de stockage. La planche n°2 en annexe montre un système numérique de contrôle-commande avec liaison radio. 00589_E_F

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D 6 -1/A

VII - BOUCLES TOUT OU RIEN Les boucles Tout Ou Rien concernent les capteurs TOR (contacteurs de niveau, de pression, etc.) et les actionneurs TOR (électrovannes, relais, etc.). Deux types de boucles sont utilisés : -

1-

les boucles à manque d’énergie ou à sécurité positive, les boucles à émission d’énergie ou à sécurité passive.

LES BOUCLES A MANQUE D'ÉNERGIE La boucle TOR à manque est en permanence parcourue par un courant quand il n'y a pas défaut. En cas d'anomalie il y a ouverture d'un contact. BJ

BJ Câble de liaison

X

Relais ou entrée automate ou carte d'acquisition SNCC

Contacteur de pression

Alimentation

D IRA 053 A

+ –

Exemple de boucle TOR à manque, sans défaut du capteur La cause de l'anomalie peut être : - un déclenchement du contacteur dû à un problème procédé ou à une défaillance de l'appareil, - une rupture du câble de liaison, - un défaut de connexion dans une boite de jonction. Ce montage signale toute anomalie due à une coupure de la boucle ce qui peut donc entraîner des déclenchements intempestifs (rupture de liaison, mauvais contacts, …), mais n'en laisse passer aucune.

2-

LES BOUCLES À ÉMISSION D'ÉNERGIE La boucle TOR à émission d’énergie est hors tension quand il n'y a pas défaut. En cas d'anomalie il y a fermeture d'un contact.

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BJ

D 6 -1/A BJ

Câble de liaison

Relais ou entrée automate ou carte d'acquisition SNCC …

X

Contacteur de pression

D IRA 053 B

+ – Alimentation

Exemple de boucle TOR à émission, sans défaut du capteur La cause de l'anomalie peut être : -

la fermeture du circuit suite à un problème procédé un court circuit sur la boucle (assez rare)

Ce montage est inopérant en cas de coupure sur la boucle (fusible, bornier, câble de liaison, etc.), aucune information ou action n'est transmise ou exécutée. Les boucles TOR à manque d’énergie sont donc préférées dans la plupart des cas.

3-

EXEMPLE DE BOUCLE TOUT OU RIEN UNITÉ

ZONE HF

SALLE DE CONTROLE - LOCAL TECHNIQUE PIED COLONNE C5 COMMANDE SUR TABLEAU

COMMANDE LOCALE

COFFRET BORNIERS BORNIERS

RELAYAGE

BORNIERS AUTOMATE

BN.EV

BN.Vanne

XEV 7

BN.API

ROV 7

1

7

R 21

10 11

2

14

11

220V PH2

8

BNRS2-3 BNRS2-4

220V PH1

Air 3,5 b

13

31 R 21 32

31

Commande tableau

VANNE HF vers C1 OUV FERM Fermée

2

16

3

17

4

18

ZS U1OOOR2V 27G1,5 mm2

7

6

8

9

9 10

10

CDE - PLATINE - 1 U1000R2V 37G1,5 mm2

Commande colonne C5 7

7 8

FERM

9

9

9

10

10

10

11

11

11 12

FU12 0,5A G1

R 22

24 24

12

31 31

R 22 34 31 34

31

CDE - C5 - 1 U1OOOR2V 37G1,5 mm2 Nota : Si pas de commande locale mettre un strop entre les bornes 4 et 5

4 5 6

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R 21 24

21

A1

A2

D IRA 060 A

R 23

R 21

12

A2

BN3 - 07 BN3 - 08 Voir plans N°3396 - 03 et 3396 - 04

8

BN.LOC

Ouverte ROV7

A1 VOIR PLAN N° 3678 - 151

12 A2

7

8

CDE - C5 - 3 U1000R2V 27G1,5 mm2

A1

11

BN3 - 05 BN3 - 06

R 23

OUV

Fermée

9 10

R 23 22

7

8

BN.C5

Ouverte ROV7

6

15

R 22 22

BN.C5

6" MONEL 300 lbs RTJ

1

48V 011

ZSL7 ZSH7

14

BN.PLAT

U1000R2V 5x1,5 mm2 ZS7

BJ

BN.DC

14

14

R 22

XEV U1OOOR2V 19G1,5 mm2

R 23

12

48V 012

XEV7 U1000R2V 3G1,5 mm2

D'après doc AUXITROL

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D IRA 244 A

R

LS

J

J

TM

Imprimante

R

LS

P

J

2 paires torsadées blindées (1200 Bauds)

CONSOLE MULTIPOSTE

Écrans couleur

LS R T TM P S

LS

P

R : Contact indépendant : Récepteur pied de bac : Température ponctuelle : Température moyenne : Transmetteur de pression : Sélecteur de sonde de température

T

indépendants

Télécommande de contacts

S

220 volts

Contacts d'alarmes

TM

D 6 -1/A

BOUCLE NUMÉRIQUE D'ACQUISITION DE MESURE — Planche n°1 —

D 6 -1/A ARCHITECTURE D'UN SYSTÈME NUMÉRIQUE DE CONTRÔLE-COMMANDE AVEC LIAISONS RADIO — Planche n°2 — PLATE-FORME (en mer)

PLATE-FORME (en mer) WCP

METERING

Champ

Terminal

RTU LMMS (Local monitoring & maintenance subsystem

ESD PSD

RTU

F&G

ESD

F&G

LMMS MODEM

MODEM

Émetteur-récepteur radio

Émetteur-récepteur radio

RELAIS RADIO

Salle de contrôle (à terre)

VDU

Émetteur-récepteur RADIO TRANSC. radio MODEM

MTU

IBM PC

Master Terminal Unit

VDU

VDU

Imprimante d'alarme

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Imprimante d'alarme

D PCD 734 A

MODEM

MODEM

Risques et Précautions Liés aux Matériels

INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES CAPTEURS ET TRANSMETTEURS Ingénieurs en Sécurité Industrielle

D6

I -

CONSTITUTION D'UN CAPTEUR ............................................................................................ 3

II -

MESURE DE PRESSION.......................................................................................................... 6 1 - Les manomètres utilisant un liquide .............................................................................................7 2 - Les manomètres à déformation de solide ....................................................................................8

III -

MESURE DE TEMPÉRATURE ............................................................................................... 15

IV -

MESURE DE DÉBIT................................................................................................................ 24 1 2 3 4 5 6 7

V-

-

Les appareils déprimogènes ...................................................................................................... 25 Débitmètre à section variable ou rotamatre................................................................................28 Débitmètres électromagnétiques ...............................................................................................29 Débitmètres à ultrasons .............................................................................................................30 Débitmètres à effet vortex .......................................................................................................... 31 Débitmètres massiques à effet Coriolis...................................................................................... 33 Compteurs.................................................................................................................................. 35

MESURE DE NIVEAU............................................................................................................. 39 1 2 3 4 5

-

Mesure de niveaux directs - Principe des vases communicants ................................................ 40 Mesure de niveaux par pression - Loi de l'hydrostatique ........................................................... 41 Mesure de niveaux par flotteurs et masses de déplacement - Poussée d'Archimède ............... 44 Mesure de niveaux par sondes capacitives ............................................................................... 47 Mesure de niveaux par émission d'un rayonnement ..................................................................48

IR CAP - 02426_A_F - Rev. 0

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10/05/2005

-2/A

1

D 6 -2/A

Afin d’assurer le suivi et le contrôle des installations les principaux paramètres opératoires sont mesurés et contrôlés dans les unités de fabrication industrielles (raffinerie, usine chimiques, pétrochimiques, …). Les principaux paramètres suivis sont généralement : – – – –

les pressions les températures les niveaux les débits

On procède également à des mesures en continu de grandeurs liées à la qualité des produits finis ou au cours du processus de fabrication (pH, composition, taux d’humidité d’un gaz, etc). Les appareils correspondants, appelés analyseurs, ne sont pas examinés ici. La mesure de ces paramètres permet de répondre aux différentes exigences en terme de contrôle et de sécurité du procédé à savoir : Automatismes séquentiels

Régulation

Sécurités

Le contrôle de procédé Instrumentation

Alarmes

Chacune de ces exigences passent par l’acquisition, le suivi et la surveillance de ces paramètres de fonctionnement de l’installation. L’ensemble capteur – transmetteur permet d’assurer la prise de mesure et sa transformation en un signal exploitable par un régulateur de tableau (analogique ou numérique) ou un système de conduite type SNCC (Système numérique de contrôle commande) par exemple Le schéma fonctionnel d’un tel ensemble peut être représenté de la façon suivante : Le schéma fonctionnel d'un tel ensemble peut être représenté de la façon suivante :

Grandeur à mesurer Pression Température Niveau...

– Pneumatique : 0,2 – 1b

Capteur

Grandeur électrique ou mécanique

Transformation de la mesure en un signal Transmetteur normalisé ou signal mesure

En général : L'ensemble capteur – transmetteur réalise la transposition linéaire entre la grandeur mesurée par le capteur et le signal de sortie du transmetteur. Maximum

Minimum

0% Zéro de l'échelle

Etendue de mesure (Maximum de l'échelle – Zéro de l'échelle)

100 % Maximum de l'échelle

– Electrique : 4 – 20 mA

– Numérique 1

1

0

0

1

Code informatique

Remarque : le Zéro de l'échelle ou minimum de l'échelle ne correspond pas forcément à une valeur nulle de la mesure

D IRA 3015 A

Le procédé

Prise d'information sur le procédé

Remarque : le Zéro de l’échelle ou minimum de l’échelle ne correspond pas forcement à une valeur nulle de la mesure. 02426_A_F

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2

D 6 -2/A

Le capteur est l’élément d’acquisition de l’information qui élabore à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente ( le plus souvent électrique ou mécanique). Cette seconde grandeur est alors représentative de la grandeur prélevée et peut être utilisable à des fins de mesure ou de commande Suivant la nature du capteur et son principe de fonctionnement, l’appareil de mesure peut assurer lui même la conversion en énergie électrique, énergie thermique, mécanique, ou sous forme de rayonnement de la grandeur physique à prélever. On peut citer par exemple, les mesures de températures

Effet utilisé Grandeur physique à mesurer

Grandeur de sortie

Thermoélectricité (*)

Tension

Pyroélectricité (**)

Charge électrique

(*) Ensemble des effets dus aux échanges entre énergie thermique et énergie électrique dans des conducteurs de nature différente lorsqu’ils sont en contact (**) La pyroélectricité consiste en l’apparition d’un champ électrique, lorsqu’un cristal est soumis à une variation de température

Pour la majorité des autres capteurs la conversion directe n’étant pas possible, le passage par une grandeur intermédiaire, le plus souvent une résistance ou une impédance, est nécessaire. Ce type d’appareil fonctionne donc – soit par variation de dimension du capteur, c’est le cas d’un grand nombre de capteurs de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile (très employés dans les appareils de mesures de pression),… – soit par déformation résultant de force ou de grandeur s’y ramenant, pression, accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge de contrainte liée à une structure déformable)

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D IRA 3001 A

La température

3

D 6 -2/A

Pour des raisons de coût ou de facilité de mise en œuvre, certains capteurs ne sont pas sensibles directement à la grandeur mesurée mais à l’un de ses effets. C’est la cas, par exemple, lors de la mesure d’un niveau suivant la loi de l’hydrostatique.

P atm

H

P Hydrostatique liée à la colonne de liquide (P1) ∆P = (P1- P2) soit

∆P =

D IRA 3036 A

P atm (P2) Hx d 10,2

Pour cet exemple, la mesure de la pression est le reflet de l’évolution de la hauteur de liquide dans le bac de stockage.

I-

CONSTITUTION D’UN CAPTEUR Un appareil de mesure est constitué d’un corps d’épreuve qui, au contact du procédé, donc de la grandeur physique à mesurer, produit une grandeur directement mesurable par le capteur suivant le schéma ci dessous :

Grandeur intermédiaire Capteur composite

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Signal Capteur interprétable D IRA 3037 A

Corps d’épreuve

4

D 6 -2/A

En général, l’appareil de mesure est un ensemble compact (capteur intégré) qui comprend le corps d’épreuve, le capteur proprement dit, et l’électronique de conditionnement.

Electronique associée

Capteur

Signal exploitable

Capteur intégré

D IRA 3037 B

Corps d’épreuve

Par rapport au capteur, le transmetteur convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard (pneumatique, électrique ou numérique). Il a pour fonction d’assurer le lien entre le capteur qui génère la mesure et le système de contrôle commande (SNCC) ou d’acquisition de mesure

Grandeur Intermédiaire

Suivi et contrôle du procédé

Grandeur à mesurer

Signal Standard Capteur

Pression Température Niveau Débit …

Transmetteur

Régulateur de tableau ou Système de contrôle commande Pneumatique 0,2 – 1 b (3 –15 PSI) Electrique 4 – 20 mA Numérique

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D IRA 3004 A

Unité de fabrication

5

D 6 -2/A

L’ensemble capteur – transmetteur réalise la conversion linéaire entre la grandeur mesurée et le signal de sortie du transmetteur

Valeur basse de l’échelle de mesure

Valeur haute de l’échelle de mesure

Etendue de mesure Maximum – Zéro de l’échelle 0,2 b / 3 PSI 4 mA Code Information

Signal de sortie du transmetteur 1 b / 15 PSI 20 mA Code Information

D IRA 1305 A

Grandeur mesurée

Par rapport à un capteur simple, le transmetteur donne la possibilité d’intervenir au moins au niveau de deux réglages. – la modifications du zéro de l’appareil (Valeur minimum mesurée par l’appareil. Cette valeur peut être différente d’une valeur nulle) – la modification de l’étendue de mesure (Différence entre la valeur Maximum et minimum mesurées par l’appareil

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II -

D 6 -2/A

MESURE DE PRESSION Suivant le cas la mesure de pression peut être : – une pression absolue : Les pressions absolues sont essentiellement utilisées pour les calculs par exemple en thermodynamique. Pour effectuer une mesure de pression absolue il est nécessaire de disposer d’une cellule de référence à pression nulle (Pression absolue égale à zéro) – une pression relative : Elle caractérise le plus souvent une pression supérieure à la pression atmosphérique. C’est la valeur indiquée par la majorité des appareils de mesure de pression – une pression différentielle : C’est une différence de pression entre deux points d’une installation ou d’un équipement (Par exemple un filtre) – une mesure de vide : Elle caractérise une pression inférieure à la pression atmosphérique. La mesure du vide peut être indiquée en pression relative (Pression comprise entre -1 et 0 bar, ou en absolue, pression comprise entre 0 et 1 bar Pression relative Exprimée en pression relative la pression atmosphérique est toujours NULLE

Pression absolue Exprimée en pression absolue la pression atmosphérique oscille autour de 1,013 bar en fonction des conditions météorologique

Pression

Pression relative

Pression absolue

Pression différentielle Plage de variation de la pression atmosphérique

Pression Atmosphérique normale

Pression atmosphérique normale 1013 mbar Abs

Vide absolu

0 mbar Abs (Pression nulle)

D IRA 1306 A

Vide relative

Il existe différentes techniques qui permettent la mesure d’une pression ; les plus répandues sont : – Les manomètres à liquide (Tube en U, tube incliné,…) – Les manomètres à déformation (Membrane, soufflet, tube de Bourdon,…) – Les manomètres ou capteurs électroniques (Jauges de contraintes, piézorésistifs, capacitifs,…) Suivant le mode de fonctionnement, l’information est soit disponible localement (cas des manomètres), soit retransmise en salle de contrôle (cas capteurs électroniques). 02426_A_F

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1-

D 6 -2/A

LES MANOMÈTRES UTILISANT UN LIQUIDE L’utilisation de ces manomètres vise surtout la mesure des faibles dépressions, surpressions ou pressions différentielles Ce sont des manomètres à lecture directe. Ces appareils se présentent le plus souvent sous la forme d’un tube en U avec une branche qui peut être incliné comme le montre les schémas ci dessous.

Raccordement sur le procédé

Raccordement sur le procédé

Le niveau de liquide est plus important dans la branche de droite

H

Le niveau de liquide est plus important dans la branche de gauche

H

D IRA 3007 A

Niveau identique dans les deux branches

Raccordement sur le procédé

Unité en service Pression supérieure à la pression atmosphérique

Unité en service Pression inférieure à la pression atmosphérique

D IRA 3010 A

Tube au repos Le niveau de liquide dans les deux branches est identique

Mesure de pression directe Dans les deux cas présentés, seule la hauteur verticale entre les deux interfaces liquide est à prendre en considération. Le fait d’incliner une des branches du tube en U ne permet que d’améliorer la lecture de la mesure ( dilatation de l’échelle de mesure. Ce type d’appareil présente une bonne précision, une bonne stabilité et est le plus souvent de conception simple et peu coûteuse.

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D 6 -2/A

Par contre, ils sont souvent :

D IRA 3025 A

– – –

2-

encombrants et fragiles sensibles à la température et aux vibrations incapables de pouvoir traduire l’information en un signal exploitable en régulation (la mesure ne peut être que locale)

LES MANOMÈTRES À DÉFORMATION DE SOLIDE

La mesure peut être locale ou retransmise à distance pour les appareils électroniques. Capteur équipé d'une membrane pour la mesure des faibles pressions ou dépressions

Manomètre équipé d'un contactpour la détection d'un seuil (seuil haut ou bas)

Manomètre électronique

D IRA 3018 A

Manomètre classique

Exemples de capteurs de pression (Documentation KOBOLD)

a - Manomètres métalliques - Indication locale Ces instruments de mesure par voie mécanique permettent de satisfaire , moyennant quelques adaptations de montage, à la majorité des exigences des mesures de pression de l’industrie et du génie des procédés.

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D 6 -2/A

Ils sont équipés d’un organe élastique (tube de bourdon, membrane, capsule, soufflet, …) qui, sous l’effet de la pression, effectue un déplacement défini et reproductible. Ce déplacement actionne une aiguille par l’intermédiaire d’un rouage. La pression peut alors être lue sur l’échelle du cadran dans l’unité désirée.

(A) Tube de Bourdon (B) Tube en hélice

(C) Membrane plane

(D) Membrane ondulée

(E) Capsule

D IRA 3005 A

(F) Soufflet

Différentes formes de capteurs utilisés pour la mesure des pressions

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Vue éclatée d’un manomètre à tube de Bourdon (Documentation ASHCROFT)

D 6 -2/A

Manomètre standard (Documentation KOBOLD)

b - Manomètres électroniques Suivant la nature de l’élément sensible, ce type d’appareil peut être : • Piézorésistif :

D IRA 3011 A

– Piézorésistif à jauges de contrainte (ou piézorésistance d’un fil métallique). C’est la propriété qui exprime la modification de la résistance R d’un matériau sous l’effet d’une déformation, ou de l’effet de la pression sur celui-ci.

Exemple de jauges de contraintes (Jauge à trame pelliculaire) La cellule de mesure peut être métallique ou en céramique. La pression présente dans le procédé déforme légèrement la membrane au contact du fluide présent (gaz ou liquide) et transmet la force engendrée à l’élément de mesure (Corps d’épreuve et élément résistif) qui modifie la tension de sortie d’un pont de mesure.

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D 6 -2/A – Piézorésistif à base de semi conducteur, on utilise dans ce cas du silicium comme matériau de jauge plutôt q’un alliage métallique. Le principe de fonctionnement reste similaire à celui des capteurs à jauges de contraintes. Membrane de mesure en contact avec le produit

D IRA 3006 A

Huile de remplissage Assure la transmission de la pression à l'élément de mesure

Élément de mesure en silicium

Exemple de capteurs piézorésistif à jauge Exemple de manomètre de contrainte ou à semi conducteur électronique (Documentation KELLER) 02426_A_F

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D IRA 3020 A

Cellule de mesure d'un capteur piezorésistif à semi conducteur

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D 6 -2/A – Capacitif Le principe consiste à transformer la déformation de la membrane de mesure sous l’effet d’une force ou d’une pression en variation de capacité par modification de la distance entre les armatures que forme le condensateur. En effet, l’une des armatures du condensateur est placée sur la membrane qui se déforme (armature mobile), l’autre sur le corps du capteur qui n’est pas soumise à la déformation. Electronique de traitement du signal

Electronique de traitement du signal

Membrane de mesure Armature mobile

Armature fixe

Huile de remplissage

Membrane en contact avec le procédé Membrane au repos

Membrane sollicitée La capacité du condensateur est modifiée

Principe de fonctionnement d’une cellule de mesure capacitive

D IRA 3008 A

On peut imaginer des géométries d’armatures permettant d’obtenir une meilleure linéarité entre la variation de capacité et la variation de pression. Il est également possible de mettre en œuvre simultanément plusieurs condensateurs et ainsi de pouvoir réaliser un pont de mesure moins sensible aux variations de températures.

Vue en coupe d’une cellule de mesure de pression différentielle (Documentation Rosemount) 02426_A_F

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D 6 -2/A

D IRA 1308 A

Vue en coupe d’une cellule de mesure de pression différentielle (Documentation Rosemount)

PI 02 PG 01

D IRA 3012 A

Manifold permet d'assurer la maintenance de l'instrument calibrage, démontage,…

Exemples d’implantation de capteurs de mesure de pression

Côté capteur

D IRA 1309 A

Côté procédé Représentation schématique d’un bloc manifold A trois vannes Exemple de bloc manifold 02426_A_F

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D IRA 3026 A

D 6 -2/A

Transmetteur de pression équipé d’un manifold (Documentation Rosemount)

02426_A_F

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D 6 -2/A III - MESURE DE TEMPÉRATURE Les mesures de températures peuvent se faire par contact ou sans contact. La température traduit l’énergie d’agitation des molécules. L’information fournie par l’appareil de mesure est le plus souvent donnée en degré Celsius, bien que d’autres échelles de mesure sont disponibles. La température est déterminée à partir d’un phénomène physique représentatif des variations de température à mesurer : – dilatation d’un corps : Thermomètre à alcool, à gaz, ou à bilame (dilation d’un solide) – variation d’une grandeur électrique : Thermomètre à résistance (thermorésistance), thermistance CTN (Coefficient Thermique Négatif) ou CTP, couples thermoélectriques avec apparition d’une fem (force électromotrice) suivant l’effet de Seebeck – émission d’un rayonnement : pyromètres optiques Un phénomène physique est d’autant plus intéressant à utiliser qu’il est : – fidèle – fonction de la température – sensible mais il faut également, que la plage de mesure soit maximale et qu’à une valeur de la température corresponde une seule valeur de la grandeur et réciproquement. On appelle coefficient thermométrique, le coefficient K tel que : X = X0 (1 + K ϕ) où X est la grandeur thermométrique qui permet de suivre l’évolution de la température et ϕ la température à mesurer. Un fois le choix de la technique de mesure, le thermomètre doit répondre aux critères suivants pour permettre une mesure efficace. – sensibilité suffisante – masse de l’élément sensible très faible par rapport à celle de l’objet étudié, sinon le thermomètre change sensiblement la température à mesurer – temps de réponse court par rapport au temps de variation de la température à mesurer Différents types de thermomètres sont disponibles et installés dans les installations industrielles. Les mesures de température reposent le plus souvent soit sur les phénomènes de dilation thermique, soit sur la variation d’une grandeur électrique tension ou d’une résistance suivant le type d’appareil. Pour des questions de maintenance, les thermomètres ne sont généralement jamais en contact direct avec le produit, mais montés dans un puit thermométrique ou doigt de gant.

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D 6 -2/A Exemple d’un doigt de gant permettant de recevoir un thermomètre

D IRA 3038 A

Thermomètre implanté dans un doigt de gant

(Documentation KOBOLD)

a - Les thermomètres à dilatation On détermine la température par l’intermédiaire d’un phénomène physique accompagnant les variations de température, par exemple, le phénomène de dilatation. Ces thermomètres sont principalement mise en œuvre lorsqu’on a besoin d’une indication locale. Les thermomètres à dilation peuvent être : • À dilatation de solide, et à bilame : Suivant leur principe, ce type de thermomètre peut être utilisé sur une gamme de température relativement large qui peut aller de –100 jusqu’à plus de 1000°C mais leur précision n’est que de quelques degrés. La majorité des thermomètres à aiguille contiennent un bilame. Ce bilame est constitué de deux lames métalliques soudées. L’un des métaux a un coefficient de dilatation plus fort que l’autre. Lorsque le bilame est chauffé, il se courbe ou s’allonge suivant sa forme. Le phénomène est alors amplifié par un dispositif de rouage et crémaillère et sert à déplacer une aiguille devant un cadran. Les thermomètres à bilame sont plus souvent employés pour fournir une indication locale de température et conviennent pour des plages de mesures ou de régulation allant de –30 à 500°C environ. Au repos le bilame est droit

L

Exemples de thermomètres à bilame

02426_A_F

Déformation du bilame sous l’effet de la température

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D IRA 1310 A

Sous l’effet d’une élévation de température, le bilame se déforme

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D 6 -2/A • Dilatation de liquide : Ces types de thermomètres utilisés pour les mesures de température locales sont relativement courantes. Une variation de température provoque la dilatation d’un liquide qui peut remonter dans un tube capillaire ou provoquer une augmentation de pression dans une enceinte close. Dans la pratique, ces thermomètres couvrent une zone allant de –180 à environ 650°C suivant la liquide utilisé (alcool, toluène, pentane, acétone, le mercure étant maintenant interdit d’utilisation). Ces appareils donnent de bons résultats dans l’ensemble.

La loi régissant les variations de volumes d’un corps de fonction de la température est de la forme :

D IRA 1311 A

V = V0 ( 1 + a T )

Exemples de thermomètres à dilation de liquide en verre

a : le coefficient de dilation absolue du liquide. Les liquides se dilatent environ 20 fois plus que les solides.

• Dilatation de gaz Pour un gaz assimilable à un gaz parfait, le volume qu’il occupe dépend à la fois de la température et de sa pression, donc lorsqu’il est chauffé, il est possible : – de garder sa pression constante : il y a alors dilation du gaz (Le volume de gaz change) – de garder son volume constant : il y a alors augmentation de pression. c’est ce cas de figure qui est le plus souvent retenu pour la mesure d’une température reposant sur « la dilation des gaz ».

Utilisation de la loi des gaz parfaits :

D IRA 1312 A

PV = Cste T

Exemple d’un thermomètre à dilation de gaz

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D 6 -2/A b- Les thermomètres fournissant une grandeur de sortie électrique Ces capteurs regroupent essentiellement les sondes à résistance de type Pt 100 et les thermocouples. Dans le premier cas, la mesure repose sur la variation de la résistance électrique d’un conducteur le plus souvent en platine, dans le second cas sur l’apparition d’une tension (fem) entre deux conducteurs de nature différentes. • Mesure de température par variation de résistance Deux grandes familles de capteurs peuvent être rencontrées : – Les capteurs de températures à résistances (thermorésistances) : Par nature un conducteur électrique voit sa résistance varier avec la température. L’élément de mesure est ici constitué d’une résistance métallique en platine, cuivre, ou nickel. – Les capteurs de type thermistance : la sonde est alors constituée d’un composant électronique à base de semi-conducteur. Les capteurs à base de résistance électrique métallique sont beaucoup plus souvent rencontrés dans l’industrie que les thermistances.

D IRA 1313 A

La sonde de mesure de température est constituée d’un filament déposé ou noyé dans un support isolant afin qu’elle soit protégée des contraintes mécaniques et d’un environnement plus moins ou corrosif qui pourrait altérer la résistance de la sonde et venir modifier le mesure retransmise.

Résistance en couche fine

Résistance avec enrobage en céramique

Résistance avec enrobage en verre

Exemples de résistances de platine Sur une faible plage de variation de température, la valeur de la résistance évolue suivant une fonction linéaire du type : R = R- ( 1 + α ( T - T0 ) ) Avec :

R 0 : Résistance de référence prise à la température T0 α : Coefficient de résistivité de la sonde avec la température

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D 6 -2/A En général, les sondes sont faites à base de platine et sont appelées Pt 100 (Pt pour platine et 100 pour 100 Ω à 0°C). Le platine présente une meilleure linéarité, que les autres métaux, sur les plages habituelles de mesures (-200 à 700°C). Dans le cas une Pt 100, la relation définie au dessus devient : R = 100 ( 1 + α T ) Les variations de résistances en fonction de la température sont le plus souvent disponibles dans des recueils de données sous forme de tableau comme c’est le cas dans l’annexe 1. Afin de prendre en compte les résistances de lignes entre la sonde et le convertisseur de température, les thermorésistances peuvent être raccordées avec 3 ou 4 fils suivant le niveau de précision de la mesure recherché.

R ligne 1 R1

Sonde à résistance

Sonde thermorésistante de type Pt 100 (Documentation Rosemount)

R ligne 3

Exemple d’un montage 3 fils

D IRA 1314 A

R ligne 2

R2

Cas d’un raccordement 3 fils, on suppose que les fils de liaisons sont de même nature, et de même longueur.

R 1=

R 2=

R 1- R2= Conclusions :

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D 6 -2/A 4

1-

Thermorésistance type Pt100

2- Bornier de raccordement (en 2, 3 ou 4 fils) 3- Gaine de protection en contenant un matériau isolant, en standard de l’oxyde de magnésium (MgO)

2

4- Tête de canne de la sonde de température Tête de canne

Bornier de raccordement de la sonde 3

Doigt de gant

Sonde de mesure Pt 100

D IRA 1304 A

1

Vue en coupe d’une thermorésistance

• Mesure de température par thermocouple Les sondes de température les plus répandues dans l’industrie sont les thermocouples Un thermocouple est constitué de deux conducteurs de natures différentes soudés à leurs extrémités. La tension mesurée est en relation directe avec la différence de température des deux soudures. Le phénomène de thermoélectricité est le résultat simultané du flux de chaleur et d’électricité au niveau de la soudure. Soudure de mesure dite "chaude"

Soudure de référence dite "froide" (Matérau B)

T1

T2

mV (Matérau A)

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(Matérau A)

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D IRA 3014 A

(Mesure de la tension générée dans le circuit)

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D 6 -2/A Si T 1 est différente de T 2 alors apparaît une tension. La valeur de la tension dépend de la différence de température ∆T et la nature des matériaux utilisée. Le montage « classique » présenté ci-dessus permet de mesurer la différence de température entre T 1 et T2. Pour utiliser un tel dispositif pour mesurer une température, une des deux soudures doit être maintenue à une température de référence fixe, l’autre servant de soudure de mesure. Si T 2 est utilisée comme référence et égale à 0°C, la fem générée dans le circuit est alors directement fonction de la température T1. En général, la soudure de référence est maintenant assurée par un circuit électronique associé ou intégré au convertisseur de température : compensation interne. Constitution d’un thermocouple Différents couples de métaux sont utilisés pour réaliser les thermocouples. Le choix d’un couple dépend de la plage de température à mesurer, de l’environnement dans lequel il sera utilisé et la précision recherchée. Les thermocouples sont généralement repérés par une lettre symbole, par exemple on parle de couple de type T pour désigner un thermocouple dont les constituants sont le cuivre et le constantan (Alliage de cuivre et de nickel). Le repérage du type de thermocouple est également réalisé par la couleur de la gaine de protection du câble de liaison avec l’appareil de mesure.

Plage de température (Usage en continu)

Gaine de protection Couleur selon NF C42-323 (97)

T : Cu/CuNi Cuivre / Constantan

– 185 … + 300°C

Marron

J : Fe/CuNi Fer / Constantan

– 0 … + 700°C

Noir

K : NiCr/NiAl Chromel / Alumel

– 0 … + 1100°C

Vert

N : NiCrSi/NiSi Nicrosil / Nisil

– 0 … + 1100°C

Rose

E : NiCr/CuNi Chromel / Constantan

– 0 … + 800°C

Violet

S : PtRh10 %/Pt Platine Rhodim 10% / Platine

0 … + 1550°C

Orange

R : PtRh13 %/Pt Platine Rhodim 13% / Platine

0 … + 1600°C

Orange

B : PtRh30 %/PtRh 6 % Platine Rhodim 30% / Platine Rhodium 6%

+ 100 … + 1600°C

Gris

Symbole et constituants (+/–)

Principaux thermocouple et plages d’utilisation

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D 6 -2/A

Tête de canne

Doigt de gant Assure la protection du thermocouple

D IRA 1316 A

Bornier de raccordement ou convertisseur transmetteur de température

D IRA 1317 A

Vue extérieure d’un thermocouple

Vue en coupe d’un thermocouple emperlé

Vue en coupe d’un thermocouple chemisé

Le plus souvent les thermocouples sont de types chemisés ce qui permet une meilleure protection de l’élément de mesure contre les agressions extérieures (contraintes mécaniques et chimiques). 02426_A_F

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D 6 -2/A Lors de l’utilisation de thermocouples pour la mesure de température, il est très important que la tension produite par le couple utilisé ne soit pas altérée au cours de sa transmission vers l’appareil de mesure. Afin de limiter au maximum les risques de perturbations de la mesure, les câbles de liaisons doivent avoir des caractéristiques thermoélectriques aussi proches que possible de celle du thermocouple mis en place. Il existe de ce fait deux types de câbles de liaisons Thermocouple - Appareil de mesure : – les câbles d’extensions : dans ce cas, les conducteurs employés sont de même type que le thermocouple mais leurs propriétés thermoélectriques ne sont garanties que sur une plage restreinte de température (généralement entre 0°C et 200°C). – les câbles de compensation : Ici, les conducteurs mis en œuvre sont de natures différentes de celles du thermocouple et ne doivent pas non plus venir perturber la mesure tout en garantissant des caractéristiques thermoélectriques déterminées sur une plage de température restreinte (généralement entre 0-100°C ou 0-150°C) Par exemple, pour un couple de type S les câbles de compensation sont du cuivre(+) pour le conducteur positif et Cuivre - Nickel (-) pour le conducteur négatif.

Thermomètre local

Thermomètre « électrique » avec doigt de gant

(*)

(**)

TG

TE

TT

TI

TW (*) Transmetteur monté en tête de cane (**) Transmetteur monté en local technique

02426_A_F

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D IRA 1318 A

Doigt de gant

24

D 6 -2/A IV - MESURE DE DÉBIT Les débits volumiques sont le plus souvent déduits d’une mesure de la vitesse (v) du fluide au travers d’une section connue (S). La relation qui lie le débit à la vitesse et donnée par la formule suivants : Q = SxV ou la formule pratique : Q =3,54

Qv

(m 3/h)

2

D int (cm2)

La mesure du débit Qv repose donc essentiellement sur une mesure fiable de la vitesse moyenne du fluide dans la tuyauterie. Toutefois, différents facteurs peuvent venir influencer l’écoulement du fluide : – – – – –

sa vitesse ses frottements dans la tuyauterie sa viscosité sa masse volumique …

Les appareils permettant d’assurer la mesure d’un débit peuvent être regroupés en différentes catégories – – – – – – –

02426_A_F

les appareils déprimogènes (plaque à orifice, venturi,… les appareils à flotteur (rotamètre) les appareils électromagnétiques les appareils à ultrasons les appareils vortex les appareils massiques utilisant la force de Coriolis les appareils permettant de faire du comptage : • compteur à turbine • compteur volumétrique

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25

D 6 -2/A 1-

LES APPAREILS DÉPRIMOGÈNES Ce sont les débitmètres les plus répandus. Il consiste à mettre un obstacle présentant des caractéristiques géométriques très précises (diaphragme, tuyère, ou venturi) à l’écoulement du fluide. La traversée de cet obstacle engendre une pression différentielle qui est fonction du débit passant dans la tuyauterie. La relation qui lie le débit à la différence de pression est de la forme : Q = kx √∆P Q : débit de produit dans la ligne K : coefficient de débit qui est fonction de différents facteurs tel que la nature du produit, la géométrie de la ligne, de l’orifice, … ∆P : Pression différentielle au passage de l’organe déprimogène

L’évolution de la pression au passage de l’orifice est représentée sur la figure ci-dessous :

H

02426_A_F

Plaque à orifice

H

H

Perte de charge réelle dans l'orifice D IRA 400 A

Allure de la pression statique

Zone morte

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26

D 6 -2/A Les débitmètres à organe déprimogène sont constitués le plus souvent de deux éléments : – un élément primaire qui est placé dans la tuyauterie qui fait obstacle à l’écoulement du fluide et qui engendre la pression différentielle. – un élément secondaire qui assure la mesure de la pression différentielle. Elément secondaire

D IRA 3027 A

Plaque à orifice ou diaphragme

Tube venturi

Elément primaire Plaque à orifice

Elément secondaire Capteur de pression différentielle Exemple de montage d’une plaque à orifice 02426_A_F

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27

D 6 -2/A

Plaques à orifice

D IRA 3009 A

Les débitmètres à pression différentielle les plus courants sont les plaques à orifice et les tubes venturi. Les plaques à orifice ou diaphragme se présentent sous la forme d’un disque métallique percé d’un trou usiné à un diamètre bien défini qui dépend du débit à mesurer.

Tubes Venturi (Documentation ABB)

D IRA 3016 A

Ce type de capteur à tendance à faire maintenant un ensemble compact qui permet améliorer la précision de la mesure comme le montre l’exemple ci-dessous.

Débitmètre à orifice compact vue externe (Documentation Rosemount)

Débitmètre à orifice compact implantation (Documentation Rosemount)

• Tube de Pitot moyenné

Exemple de tube de Pitot moyenné 02426_A_F

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D IRA 1320 A

D’autres capteurs fonctionnant sur un principe similaire, mesure d’une pression différentielle puis conversion en débit sont utilisés. Ce sont des sondes qui dérivent des tubes de Pitot. Elles mesurent la pression dynamique (Pression dans le sens d’écoulement du fluide) et la pression statique dans la ligne. La pression différentielle ainsi obtenue est fonction de la vitesse moyenne dans la tuyauterie comme pour les plaques à orifice par exemple.

28

D 6 -2/A 2-

DÉBITMÈTRE À SECTION VARIABLE OU ROTAMATRE Ce sont des débitmètres simples qui permettent de travailler avec une perte de charge relativement constante et assurant la mesure de débit de liquides, ou de gaz dans des tuyauteries. L’appareil est constitué d’un tube à conique dans lequel un flotteur monte lorsque le débit augmente offrant ainsi une plus large section de passage au fluide. La position du flotteur se définit de telle sorte que les forces hydrauliques soient toujours en équilibres avec le poids du flotteur qui lui ne change pas avec le débit.

F A

P

Échelle

Flotteur

P : Poids du flotteur A : poussée d'archimède sur le flotteur F : Force exercées par le débit Principe de mesure d’un débitmètre à section variable

D IRA 1321 A

Tube à section variable

Exemple de débitmètre à section variable (Documentation Brooks)

02426_A_F

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D IRA 3039 A

Ce type de débitmètre peut être utilisé pour une mesure locale de débit ou peut être équipé pour la retransmission à distance de l’information. Ces débitmètres sont de plus en plus souvent constitués d’un tube métallique et d’un flotteur en magnétique ce qui permet de palier à la fragilité d’un tube de mesure en verre.

29

D 6 -2/A 3-

DÉBITMÈTRES ÉLECTROMAGNÉTIQUES La mesure repose sur la loi d’induction de Faraday. Ce principe de mesure ne peut être mis en œuvre que sur des liquides conducteurs. Dans un débitmètre électromagnétique, un champ magnétique est créé perpendiculaire au débit du liquide. Le liquide se comportant alors comme un conducteur en mouvement dans un champ magnétique voit en son sein apparaître une tension induite. Cette tension (U) ainsi obtenue est proportionnelle à la vitesse (V) du liquide dans la ligne. U=K.V

D IRA 3017 A

Le coefficient K dépend de l’intensité du champ magnétique, et de le géométrie du capteur.

Principe de mesure d’un débitmètre électromagnétique

Vue extérieure d’un débitmètre électromagnétique (Documentation KROHNE)

Electrodes de mesure de la tension induite

Boîtier de raccordement électrique

Revêtement interne isolant

Vue en coupe d’un débitmètre électromagnétique (Documentation Rosemount)

02426_A_F

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D IRA 1322 A

Bobine permettant de générer le champ magnétique

30

D 6 -2/A 4-

DÉBITMÈTRES A ULTRASONS Le principe de mesure repose sur la différence de vitesse de propagation d’une onde sonore lorsque celle-ci se déplace dans le sens d’écoulement du fluide et lorsqu’elle déplace en sens opposé à l’écoulement, comme le montre la schéma ci dessous. Émetteurtransmetteur A

tA-B

tB-A

Émetteurtransmetteur B

∅int diamètre

tA-B

∅int diamètre

tB-A

D IRA 1223 A

Émetteurtransmetteur A

Émetteurtransmetteur B Principe de fonctionnement d’un débitmètre à ultrasons

Le débit est fonction du diamètre de la tuyauterie et de la différence de temps qu’il faut à l’onde sonore pour faire le trajet de A vers B ou de B vers A. Cette technique est réservée à la mesure d’un débit de gaz ou de liquide non chargé. Pour une application sur des liquides chargés de particules solides, de bulles de gaz ou émulsionnés. La mesure est alors basée sur l’effet Doppler. Dans ce cas, le signal sonore émis se réfléchit sur les particules (solides, liquides, ou gazeuse) et modifie sa fréquence en proportionnellement à leur vitesse.

tA-B

tB-A

∅int diamètre

D IRA 1224 A

Émetteurtransmetteur B

Émetteurtransmetteur A

La fréquence de l'onde sonore est modifiée par la réfléxion de celle-ci sur les particules contenues dans le liquide

D IRA 1325 A

Principe de fonctionnement d’un débitmètre à ultrasons utilisant l'effet Doppler

Vue externe d'un débit mètre à ultrasons (documementation Ultraflux)

02426_A_F

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31

D 6 -2/A 5-

DÉBITMÈTRES À EFFET VORTEX Le principe de mesure repose sur la formation de tourbillons alternés (effet Karman). Ce type de débitmètre consiste à mettre un obstacle (non profilé) dans la tuyauterie qui va générer des tourbillons ou vortex de part et d’autre et en aval de cet obstacle. Ces tourbillons engendrent alors des zones de pressions variables. La fréquence de détachement des tourbillons est proportionnelle à la vitesse d’écoulement. Les tourbillons ainsi obtenus sont détectés au moyen d’un cristal piézoélectrique. La formule reliant de vitesse du fluide dans la tuyauterie est la suivante :

V =

Fréquence des tourbillons Facteur k

La sortie d'un débitmètre à effet vortex dépend donc du facteur K. Ce facteur est lié à la fréquence de génération des tourbillons par rapport à la vitesse du fluide. Le facteur K varie en fonction du nombre de Reynolds (Régime d’écoulement), mais est pratiquement constant sur une vaste plage de débit. Les débitmètres à effet vortex permettent d’obtenir des mesures très précises s’ils sont utilisés sur cette plage linéaire.

Zone morte Sens découlement du fluide

Obstacle non profilé générant les tourbillons

Tourbillons ou vortex

Principe de mesure d’un débitmètre à effet vortex

Quartz piézo-électrique Elément de mesure Vue en coupe de la partie capteur

02426_A_F

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D IRA 408 A

Membranes

32

D 6 -2/A Capteur piézo-électrique

D IRA 1326 A

Obstacle non profilé

Vue extérieure d'un débitmètre à effet vortex

02426_A_F

Vue interne d'un débitmètre à effet vortex

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D 6 -2/A 6-

DÉBITMÈTRES MASSIQUES À EFFET CORIOLIS Ce type de débitmètre mesure directement le débit massique, par opposition au débit volumétrique. Beaucoup de débitmètres prétendument "massiques" déduisent en fait le débit massique par l’intermédiaire de la relation : Qm = Q v x p Ces débitmètres massiques regroupent essentiellement deux appareils, l'un pour mesurer la vitesse du fluide et l'autre pour mesurer la masse volumique. Ces mesures sont habituellement associées à un microprocesseur; des paramètres supplémentaires (pression, température,…) peuvent être mesurés, de manière à obtenir une sortie indiquant le débit massique. Essentiellement deux types de débitmètres permettent de mesurer le débit massique directement, sans calcul intermédiaire à partir du volume et de la masse volumique : – les débitmètres massiques thermiques – les débitmètres massiques à effet Coriolis Les débitmètres massiques à effet Coriolis utilisent comme détecteur un tube sans obstacle. Le tube de mesure est mis en vibration à une fréquence donnée. La mise en oscillation est assurée par un bobinage électromagnétique. Le fluide qui s'écoule dans le tube de mesure est contraint de suivre le mouvement vertical du tube mis en oscillation. Lorsque le tube monte pendant une moitié de sa période vibratoire, le fluide traversant le détecteur résiste à son entraînement vers le haut en repoussant le tube vers le bas. Et inversement, sur la deuxième moitié du tube. Le tube se tord alors dans le sens opposé. Cette caractéristique de torsion est appelée effet Coriolis. L'amplitude de la torsion du tube de mesure est directement proportionnelle au débit massique du fluide traversant le tube. Des bobines situées de part et d'autre du tube de mesure permettent de déterminer la vitesse du tube vibrant. Le débit massique se déduit en mesurant le déphasage entre les tensions par induites les bobines de mesure. Dans des conditions d'écoulement nul, il n'y a aucune torsion du tube donc pas de déphasage. En cas d'écoulement, il se produit une torsion entraînant une différence de temps entre les deux signaux de vitesse. Cette différence de temps est directement proportionnelle au débit massique. La force de coriolis est définie par la formule suivante

Mouvement du tube vers l’intérieur : pas de débit Fc

Fc = -2m (ω• v ) Fc = Force de Coriolis w = Vitesse angulaire v = Vitesse de la masse m = Masse

Fc Direction de la force de Coriolis et avec débit courbure du tube vers l’intérieur

Fc Fc

Mouvement du tube vers l’extérieur : Pas de débit Fc

Fc Fc

Direction de la force de Coriolis avec débit et courbure du tube vers l’extérieur

D IRA 3003 A

Fc

Principe de fonctionnement d’un débitmètre à effet Coriolis (Documentation ABB) 02426_A_F

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D 6 -2/A

D IRA 3002 A

Bobine électromagnétique permettant la mesure de la déformation du tube sous l'effet de la force de coriolis

Bobine excitatrice mise en vibration des tube des mesure

Bobine électromagnétique permettant la mesure de la déformation du tube sous l'effet de la force de coriolis

interne d’un débitmètre massique à effet Coriolis (Documentation ABB)

Exemple d’installation de débitmètre massique à effet Coriolis (Documentation Rosemount)

02426_A_F

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D IRA 1327 A

Vue externe d’un débitmètre massique à effet Coriolis (Documentation ABB)

35

D 6 -2/A 7-

COMPTEURS Ce sont des appareils qui sont utilisés pour mesurer une quantité du produit et non un débit. Deux grandes familles de compteurs sont rencontrées : -

les compteurs de vitesses les compteurs volumétriques

a - Compteurs de vitesse

D IRA 2160 A

Le liquide entraîne une turbine ou un moulinet dont la rotation est transmise au système de mesure.

Ces appareils sont constitués d’un rotor hélicoïdal libre en rotation placé dans une portion de canalisation. L’écoulement du liquide provoque la rotation à une vitesse, qui dans certaines limites de débit et de viscosité, est proportionnelle au débit. À chaque révolution du rotor correspond une fraction constante du volume écoulé. Un élément magnétique fixé sur le rotor induit à chaque passage devant une bobine, une impulsion électrique. Cette fréquence électrique est ensuite traitée dans un convertisseur qui permet de connaître la quantité de produit qui s’est écoulée.

A

K

G

B

I

E

J H

D D

C'

D'

A

Liquide

F'

C

G

Doc. Schlumberger A B C,C' D D' E

corps à tubulures taraudées hélice à 2 ou 4 pales tranquilliseurs-porte-paliers palier de support Palier de support et de butée moyeu de l'hélice comportant un aimant inducteur

Compteur Héliflu

02426_A_F

F

E

A' C

B

Doc. Neptune meter CO F G

bobinage induit support de bobinage

A A' B C D E F, F'

enveloppe à brides corps du mesureur moyeu de la turbine ailettes hélécoïdales arbre du rotor paliers de support butées d'arbre

G déflecteur-tranquilliseur amont H déflecteur-tranquilliseur aval I aimant inducteur solidaire de la turbine J sonde induite K pré-amplificateur

Débimètre Neptune

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Liquide D IRA 2161 A

F

36

D 6 -2/A Compteur pour liquide

Doc. Faure-Herman

Compteur pour gaz

Sur ce compteur, le rotor comporte deux, trois ou quatre hélices précédées chacune par un redresseur fixe. Cette disposition évite la mise en rotation de la veine fluide et permet au rotor de tourner à une vitesse proportionnelle au débit volume avec une précision indépendante de la pression et de la température.

Vanne d'autorisation

Dégazeur

Filtre

Capteur turbine

Raccordements pour étalonnage

Clapet AR

totalisateur des volumes

Convertisseur

1 2 3 4 5 6

Limiteur de débit

Correcteur de température densité

totalisateur des masses 1 2 3 4 5 6

D IRA 2164 A

Commande analogique

Pour atteindre une précision d’exploitation inférieure à 0,1 % permettant de les utiliser comme compteur, il faut étalonner ces appareils avec précision en fonction de la viscosité du produit et des débits à mesurer. 02426_A_F

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D 6 -2/A Influence de la viscosité

Courbe d'étalonage

Volume vrai Volume indiqué

MODÉLE HELIFLU 4000 Diamètre 163 N° de serie : 2471

« 1,0050

1,0000 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

« Q (m3/h) 4000

0,9950 20 % QM

QM

40 % QM «

02426_A_F

Viscosité : 3 cSt Viscosité : 18 cSt Viscosité : 76 cSt « Viscosité : 117 cSt

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D IRA 1143 A

10 % QM

38

D 6 -2/A b - Compteurs volumétriques Les compteurs volumétriques sont constitués d’une ou plusieurs capacités qui se remplissent et se vident successivement ou d’une capacité dont chaque tour est engendrée par un volume connu. Il existe de nombreux modèles de compteurs volumétriques, le plus courant reste certainement le compteur à roues elliptiques ou à roues ovales. La précision de ces appareils est de l’ordre de 0,1 %. Les compteurs à roues ovales sont des appareils de mesure directe du volume. Leur élément de mesure se compose de deux roues ovales dentées de précision qui entraînées par le fluide roulent l’une sur l’autre. Un volume de liquide déterminé est ainsi transporté dans le compteur à chaque tour de la paire de roues. Le nombre de tours est une mesure précise du volume débité. Entrée

Entrée

Sortie

Sortie Ressort

Compteur à roues ovales chambre Compteur à palettes

ROTOR

Sortie

D IRA 2165 A

Entrée

Compteurs à lobes

02426_A_F

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D IRA 2166 A

D IRA 2165 A

Rotor

39

D 6 -2/A V-

MESURE DE NIVEAU Avant de faire le choix d’un type d’instrument de mesure de niveau il est indispensable de se poser un certain nombre de questions : – le capteur peut-il être introduit dans la capacité ou doit-il rester à l’extérieur de la capacité ? – le capteur doit-il donner une mesure en continu ou doit-il seulement détecter un seuil ? – le capteur peut-il être en contact avec le fluide procédé ou doit-il rester dans la phase gazeuse ? – la mesure doit-elle être directe ou indirecte par le mesure de la hauteur hydrostatique (avec réponse qui peut être influencée par la hauteur et la densité du produit) – la dépressurisation du procédé ou l’arrêt du procédé est-il acceptable pour le remplacement ou la maintenance du procédé ? D’autres considérations peuvent entrer en ligne de compte telles que les conditions opératoires (température, pression,…) ; la nature du produit sur lequel doit être fait la mesure (solide, slurry, émulsion, interface,…) et les « habitudes ». Les mesures de niveaux peuvent être classées en plusieurs catégories : – les mesures directes basées sur le principe des vases communicants – les mesures de pressions basées sur la loi de l’hydrostatique avec différentes variantes • référence à la pression atmosphérique • colonne de référence sèche • colonne de référence pleine d’un liquide tampon • bullage ou bulle à bulle, … – les mesures basées sur le principe d’Archimède • niveaux à flotteur • niveaux à plongeur ou masse de déplacement – les mesures capacitives – les mesures de niveaux basées sur l’émission d’un rayonnement • niveaux par radar • niveaux par ultrason • niveaux par source radioactive Cette liste n’est pas exhaustive mais permet de balayer la majorité des cas de figures qui peuvent être rencontrés dans l’industrie.

02426_A_F

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40

D 6 -2/A 1-

MESURE DE NIVEAUX DIRECTS – PRINCIPE DES VASES COMMUNICANTS Ce principe de mesures est essentiellement utilisé pour des mesures ou du contrôles visuels sur site. L’appareil est constitué d’un tube en verre ou de vitre d’épaisseur fonction des condition opératoires du procédé.

1- Vanne d’isolement du piquage supérieur 2- Vanne d’isolement du piquage inférieur 3- Vanne à bille de sécurité supérieur 4- Vanne à bille de sécurité inférieur

1

3

2 4

D IRA 3021 A

Le niveau dans la capacité est identique à celui présent dans le niveau à local

Principe et environnement d’un niveau à glace

D IRA 3032 A

Ce type d’appareil est systématiquement équipé de robinet à bille de sécurité qui a pour objectif d’éviter ou de réduire fortement la fuite de produit en cas de rupture de la glace qui permet la lecture de niveau.

Niveau à glace

02426_A_F

Vue en coupe d'un vanne à bille

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D 6 -2/A 2-

MESURE DE NIVEAUX PAR PRESSION – LOI DE L’HYDROSTATIQUE La mesure d’une pression peut permettre de mesurer un niveau en utilisant la loi de l’hydrostatique. Cette loi lie la pression à une hauteur de produit par la relation : t

H x d4 P = 10,2 Avec

P : Pression (bar) H : hauteur de produit t

D 4 : densité du produit à sa température d’utilisation t Différentes configurations et variantes de montage peuvent être envisagées suivant les conditions de services et la nature du produit sur lequel doit être effectué la mesure. Les variantes les plus courantes concernent essentiellement les dispositions suivantes : – mesure sur une capacité à pression atmosphérique – mesure sur une capacité sous pression – mesure sur une capacité sous pression avec présence de vapeurs condensable

D IRA 3029 A

a - Capacité pression atmosphérique

Mesure de niveau sur une capacité à pression atmosphérique

Dans ce cas de figure, la mise en place d’un capteur de pression relative ou de pression différentielle avec une des cellules mise à la pression atmosphérique est suffisante.

02426_A_F

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42

D 6 -2/A b - Capacité sous pression

Vanne d'arrêt

max

min.

+ -

D IRA 3030 A

0 25 mbar

Manifold 3 voies Mesure de niveau par cellule de pression différentielle Membrane de mesure déportée

Ici, pour obtenir une mesure de niveau valide, la mise en place d’un capteur de pression différentielle est nécessaire. Une des cellules de mesure est en contact avec le produit , l’autre cellule est reliée à l’atmosphère de la capacité, ce qui permet de prendre en considération le fait que la pression interne de la capacité est différente de la pression atmosphérique mais aussi ce type de montage permet de prendre en compte les variations de pression du procédé

c - Capacité sous pression et présence de vapeurs condensables (liquide tampon)

Pot de condensation (seulement en cas de ciel gazeux) Horizontal

min.

ZS

+

Vanne d'arrêt

Le cas échéant pot de purge et robinet de purge

D IRA 1328 A

max

Mesure de niveau par cellule de pression différentielle Colonne de référence pleine La présence de vapeurs condensables peut venir fausser la mesure en se condensant dans la colonne de référence. Pour éviter ce type de perturbations de la mesure, la colonne de référence est maintenue pleine avec un liquide tampon qui peut être le liquide présent dans la capacité ou un produit de nature différente mais qui doit être compatible avec le procédé et les conditions opératoires.

02426_A_F

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43

D 6 -2/A d - Capacité sous pression et présence de vapeurs condensables (membranes déportées)

max

+

D IRA 3040 A

ZS

min.

Mesure de niveau par cellule de pression différentielle Membrane de mesure déportée Lorsque le produit risque de condensé dans les piquages de mesure, la mise en place de membranes dépotées permet d’éviter ce risque, la transmission de la pression mesurée se faisant par un fluide hydraulique, le plus souvent de l’huile. e - Mesure de niveau par bullage La mesure d’un niveau par bullage est à la base identique à une mesure de niveau par cellule de pression différentielle, l’injection d’un fluide axillaire au niveau des piquages de mesure n’ayant pour rôle que d’éviter le bouchage ou le contact direct du produit avec l’appareil de mesure (cellule de pression différentielle. Ce type de montage est principalement utilisé lors de la présence de produits encrassants ou colmatants, de produits corrosifs, … LT PI

PI

PI

D IRA 269 A

Gaz auxiliaire

PI

Mesure de niveau par cellule de pression différentielle Montage avec injection d’un fluide auxiliaire – Mesure de niveau par bullage 02426_A_F

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D 6 -2/A 3 - MESURE DE NIVEAUX PAR FLOTTEURS ET MASSES DE DÉPLACEMENT – POUSÉE D’ARCHIMÈDE a - Mesure par flotteur et palpeur Un flotteur flotte à la surface du liquide alors qu’un palpeur est maintenu en équilibre par un dispositif mécanique au niveau de l’interface à mesurer. Différents types de dispositifs de mesure de niveau en continu par flotteur ou palpeur existent. Tous sont constitués d’un élément de mesure qui se déplace avec l’interface à suivre.

Câble de liaison vers le dispositif d'indication

Montée Flotteur

Le flotteur suit le niveau d'interface du liquide lors de sa monter ou de sa descente

D IRA 3054 A

Descente

Principe de mesure d'un niveau par flotteur

D IRA 3055 A

Des adaptations particulières peuvent être faites de manière à pourvoir implanter l’appareil de mesure sur le dessus ou le coté de la capacité, de permettre sa maintenance ou son changement sans avoir à arrêter le procédé. Le choix d’un dispositif plutôt qu’un autre est également fonction des conditions opératoires.

Exemple d’implantation d’un appareil de mesure de niveau à palpeur (Documentation Enraf) 02426_A_F

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D 6 -2/A

Paroi de la chambre en acier Anneau de flux Indicateur à palette

Niveau de liquide Aimants du flotteur

Flotteur Mesure de niveau par flotteur magnétqiue (Documentation Magnetrol) b - Mesure par masse de déplacement ou par plongeur Ce type d’appareil permet de suivre un niveau en mesurant les variations de poids apparent d’un plongeur (Tube métallique creux qui ne doit pas flotter à la surface du liquide). Le poids apparent d’un corps est également à son poids diminué de la poussée d’Archimède qu’il subit en fonction de son immersion dans le liquide dans lequel il est placé

Dispositif de mesure du poids apparent

PArch : Poussée d'Archimède exercée par le liquide sur le plongeur PArch = V x ρ x g

P Arch

Papparent = Poidsplongeur – PousséeArchimède soit

Papparent = m x g – h x s x ρ x g

P : Poids du plongeur P = mxg

D IRA 3056 A

P

Principe de mesure d’une mesure de niveau par plongeur 02426_A_F

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D 6 -2/A Si valeur de la densité du produit est connue il est possible d’en déduire la valeur de la hauteur de liquide à partir de la mesure du poids apparent. (m x g) – Papparent sxρxg

D IRA 3022 A

h =

Exemple d'un appareil de mesure de niveau par plongeur et tube de torsion (Documentation Masonellan)

02426_A_F

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47

D 6 -2/A 4-

MESURE DE NIVEAUX PAR SONDES CAPACITIVES Ce type de principe de mesure est assez répandue et fonctionne à l’aide d’une électrode qui plonge dans la capacité dont on souhaite suivre le niveau. La sonde et la paroi de la capacité constituent les deux électrodes d’un condensateur. Sur les produits isolants (huile, pétrole…) la sonde se présente sous la forme d’une tige métallique isolée du réservoir. Quand la sonde est découverte, la capacité (C) du condensateur obtenue est fonction essentiellement du coefficient diélectrique (∫r) de l’air dont la valeur est voisine de 1. En présence d’un produit isolant, la capacité du condensateur augmente sous l’effet du produit qui possède le plus souvent une constante diélectrique supérieure à 1. Cette variation de capacité est traitée pour fournir un signal de sortie proportionnel au niveau du produit. La capacité d’un condensateur est donnée par le relation : C =

εxA d

Pour un liquide isolant : un condensateur est créé entre la paroi de la capacité et la sonde

D IRA 3057A

Lorsque le niveau monte ou descend le coefficient diélectrique global change, ce qui modifie la valeur de la capacité mesurée

Principe de mesure par sonde capacitive Pour les produits conducteurs la constante diélectrique ne joue plus aucun rôle. Il est nécessaire alors d’enrober la tige de la sonde avec un matériau isolant, l’épaisseur constante de l’isolant, jouant le rôle de diélectrique. Les armatures du condensateur sont alors constituées par la tige métallique de la sonde et le liquide conducteur. Si le réservoir en matériau isolant, il est nécessaire de procédé à l’immersion d’une armature. La capacité du condensateur est fonction de la densité et de la température du produit, l’implantation d’une seconde sonde capacitive en permanence immergée et servant de référence permet de remédier au problème.

02426_A_F

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48

D 6 -2/A 5-

MESURE DE NIVEAUX PAR ÉMISSION D’UN RAYONNEMENT Elles permettent notamment des mesures sans contact direct avec le produit ce qui constitue un gros avantage. a - Sondes à ultrason Le principe est basé sur l’envoie d’une impulsion ultrasonique à travers l’atmosphère gazeux de la capacité en direction de la surface du produit. Cette impulsion va se réfléchir à la surface du liquide. On capte l’écho partiellement retourner et le temps de parcours de l’impulsion est directement proportionnel à la hauteur de creux dans la capacité. La distance entre la sonde et la surface du liquide est donnée par la relation suivante :

D = CX

T 2

D : distance surface sur produit sonde c : vitesse du son dans la phase gazeuse de la capacité t : durée de parcours de l’impulsion ultrasonique

D IRA 3042 A

En fonction du capteur, il existe une zone immédiatement en dessous de la sonde, dans laquelle les impulsions ne peuvent pas être captées. Cette "distance de blocage" détermine le début de la plage de mesure. La fin de la plage de mesure est déterminée par l’affaiblissement de l’impulsion sonique à travers l’air, et par les capacités de rétrodiffusion de la surface du produit.

Principe de fonctionnement d'une sonde à ultrason (Documentation Magnetrol)

02426_A_F

Exemple d'une sonde de mesure de niveau par ultrasons (Documentation Endress + Hauser)

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49

D 6 -2/A b - Sondes micro-ondes Le principe de fonctionnement est identique à celui des sondes à ultrasons seule change la fréquence d’émission des impulsions. Les impulsions de micro-ondes émises par une antenne sont réfléchies par le produit et captées sous forme de signal fonction du temps - la courbe enveloppe - par le même dispositif. La distance par rapport à la surface du produit est proportionnelle à la durée de parcours des impulsions de microondes.

D E F Écho du niveau L

D IRA 3023 A

Début de la mesure

0,5 x durée du parcours = distance D

Courbe enveloppe affichée à l'écran du PC à l'aide du programme d'exploitation par ex. Commuwin II

Principe de mesure d’un niveau par micro-ondes (Documentation Endress + Hauser) Les micro-ondes doivent atteindre sans obstacles la surface du produit. Chaque objet qui se trouve dans le faisceau de rayonnement génère un écho. Plus l’objet est proche, et plus l’écho parasite est puissant. Les échos parasites puissants qui ne peuvent être évités par une modification de l’implantation perturbent la mesure et doivent être supprimés au cours de l’étalonnage de base.

Micropilot monté sur un piquage

Implantation de la sonde sur un bac de stockage (Documentation Endress + Hauser) 02426_A_F

D IRA 3043 A

Les éléments internes se trouvant dans le faisceau de rayonnement génèrent des échos parasites

Exemple d’une sonde à micro-ondes (Documentation Vega)

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50

D 6 -2/A c - Sources radar Ils existent actuellement dans l’industrie deux technologies radars fondées sur des approches • L’approche des ondes par rafales Point de référence du capteur Zone de sécurité

Distance de blocage

Décalage du capteur (+)

Distance Hauteur du réservoir Niveau du fluide

D IRA 3034 A

Valeur mesurable la plus basse Décalage de niveau

Implantation et principe de fonctionnement (Documentation Magnetrol) Par rapport aux dispositifs à impulsions tels que les mesures par ultrasons ou micro-ondes, le radar à ondes par rafales émet de brèves rafales d’ondes d’une énergie de 5,8 GHz et mesure le temps de parcours du signal réfléchi par la surface du liquide. La distance est déduite par une formule identique à celle vue pour les mesures par ultrasons • Et celle des ondes continues modulées en fréquence (FMCW)

D IRA 3035 A

Ce type de sondes radar utilisent un signal haute fréquence (10 GHz) à modulation de fréquence linéaire ; la fréquence d’émission augmente linéairement dans un intervalle de temps (balayage fréquence). Le signal est émis, réfléchi par la surface du produit et ensuite réceptionné après un intervalle de temps t. La différence entre la fréquence du signal émis et celle du signal reçu est proportionnelle à la hauteur de creux dans la capacité.

Sondes radar (Documentation Rosemount) 02426_A_F

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51

D 6 -2/A d - Sources radioactives En détection de niveau pour sources radioactive, les éléments utilisés sont logés dans un conteneur à double enveloppe en acier inoxydable soudé. – la manipulation et l’utilisation des sources radioactives sont soumises à une réglementation très stricte. – en l’absence d’une autorisation de détention de source, la manipulation des sources est interdite. – les travaux tels que démontage et remplacement de l’élément radioactif, ne devront être exécutés que par le responsable de radioprotection, conformément aux règles en vigueur. Ce type de mesure est faite sans contact dans les réservoirs contenant par exemple des solides en vrac, des liquides inflammables, toxiques, agressifs,...

Conteneur de source

D IRA 3044 A

Détecteur

Principe de mesure d’un niveau par source radioactive (Documentation E + H)

02426_A_F

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Risques et Précautions Liés aux Matériels

INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES CAPTEURS - TRANSMETTEURS TOUT OU RIEN Ingénieurs en Sécurité Industrielle

D6

-2/B

I - PRESSOSTATS ........................................................................................................................ 1 II - CONTACTEURS DE TEMPÉRATURE ..................................................................................... 3 III - DÉTECTEURS DE NIVEAUX ................................................................................................... 4 1 2 3 4 5 6 7

-

Contacteurs de niveau à flotteur ................................................................................................. 4 Contacteurs de niveau à masse de déplacements ou à plongeur .............................................. 6 Détecteurs conductifs .................................................................................................................. 7 Détecteurs radioactifs.................................................................................................................. 8 Contacteur à palette .................................................................................................................... 9 Détecteurs de niveau par lames vibrantes .................................................................................. 9 Détecteurs optiques .................................................................................................................. 10

IV - DÉTECTEURS DE DÉBITS .................................................................................................... 12 1 2 -

Contacteurs à palettes .............................................................................................................. 12 Contacteurs électromagnétiques .............................................................................................. 12

IR CAP - 02377_A_F - Rev. 0

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21/04/2005

D 6 -2/B

1

I-

PRESSOSTATS Qu'il soit simple ou différentiel, un pressostat est un organe de contrôle fonctionnant en tout ou rien qui peut être utilisé : -

soit comme simple alarme sonore ou visuelle soit comme organe de mise en sécurité sur une machine (compresseur, ...) ou sur une installation (réacteur, colonne, ...) soit comme organe de réglage, ouverture et fermeture automatique des clapets d'aspiration sur un compresseur alternatif d'air instrument par exemple

L'action de commande peut provenir aussi bien d'une pression que d'une différentielle de pression, haute ou basse. Quelques exemples de pressostats couramment utilisés, sont présentés ci-après. • Pressostat différentiel à membrane La pression différentielle à contrôler est appliquée à une membrane dont la variation de hauteur agit sur un levier pivotant. Lorsqu'elle devient suffisante pour combattre l'action du ressort, le mouvement du levier provoque le basculement du contacteur à mercure et celui-ci vient établir le contact électrique. La tension du ressort est réglable pour permettre l'ajustement du point de consigne.

HP

D IRA 279 A

BP

• Pressostat simple à soufflet avec réglage d'écart

D IRA 280 A

Ce pressostat est équipé d'un dispositif de réglage d'écart. L'écart fixant la pression minimale à laquelle il est nécessaire de descendre pour provoquer le basculement inverse du contact à mercure.

02377_A_F

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D 6 -2/B

2

LP

Pg 13,5 DIN 46 255

Pressostat de pression différentielle à soufflets

1 2

3

017 4030 310(4)A 380v-ac 2 112W 220v-dc

HP

Pg 13,5 DIN 46 255

1 2

MINI 1 2

3

Pressostat simple à soufflet avec réglage d'écart

D IRA 248 A

MAX 9 10

017 4030 310(4)A 380v-ac 2 112W 220v-dc

Document DANFOSS

02377_A_F

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D 6 -2/B

3

II -

CONTACTEURS DE TEMPÉRATURE Les contacteurs de température ou thermostats sont des appareils capables de détecter le franchissement d’un seuil de température. Pour les appareils de mesure électriques, le seuil de température de déclenchement du thermostat correspond à un seuil d'intensité électrique ou de force électromotrice qu'un dispositif approprié permet de détecter. Les appareils locaux quant à eux sont le plus souvent du type à bulbe sensible + capillaire sur soufflet ou membrane.

Pg 13,5 DIN 46 255

LP

1 2

3

017 4030 310(4)A 380v-ac 112W 220v-dc

2 MAX 9 10

MINI 1 2

Pg 13,5 DIN 46 255

1 2

3

017 4030 310(4)A 380v-ac 112W 220v-dc

2

HP

D IRA 249 A

HP

Document DANFOSS

Thermostat différentiel

Thermostat simple

02377_A_F

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D 6 -2/B

4

III - DÉTECTEURS DE NIVEAUX La détection de niveau a pour but de signaler une certaine hauteur de liquide ou de solide dans une capacité de stockage. En général, la position du point de détection détermine l'emplacement du capteur. Les applications les plus fréquentes consistent à détecter des niveaux de réservoirs pleins ou vides en utilisant les principes de mesure suivants : – – – – – – –

flotteur plongeur ou masses de déplacement conductif capacitif radioactif lames vibrantes etc...

La détection d'un niveau haut ou d'un niveau bas devant permettre la commande d'une alarme ou d'une sécurité.

1-

CONTACTEURS DE NIVEAU À FLOTTEUR La montée ou la descente du niveau de produit dans la capacité occasionne le déplacement d'un flotteur. Son déplacement est transmis par l'intermédiaire d'un tube étanche à un microrupteur, un mécanisme pneumatique ou à une ampoule à mesure par exemple, qui va provoquer l'action de contrôle souhaitée, alarme ou sécurité.

Contact électrique

Tube étanche

D IRA 289 A

Flotteur

Contact de niveau à flotteur horizontal

02377_A_F

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D 6 -2/B

5

Contacteur de niveau à flotteur

Contacteur de niveau à flotteur

vertical

horizontal à tige coudée

A

Niveau d'alarme

Niveau d'alarme

Niveau d'alarme

Niveau d'alarme

C

B

C

B

A

Pour certaines applications, il est possible d'utiliser des contacteurs présentant plusieurs seuils d'alarmes, comme le montre la figure ci-dessous.

Niveau d'alarme

Contacteur de niveau à flotteurs à trois seuils

02377_A_F

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D IRA 250 A

Niveau d'alarme

D 6 -2/B

6

C

A

B Ampoule à mercure Pivot

Ressort de rappel

Tube magnétique

Aimant permanent

Piston magnétique

Niveau croissant

Équipé d'un contact électrique

Niveau décroissant

D IRA 1098 A

Flotteur

Équipé d'une ampoule à mercure

Contrôleurs de niveau à flotteur et piston magnétique

2-

CONTACTEURS DE NIVEAU À MASSE DE DÉPLACEMENTS OU À PLONGEUR Le fonctionnement de ce type d'appareil est basé sur le principe d'Archimède. Il consiste à employer des masses qui reçoivent la poussée d'Archimède due au liquide. Cette poussée peut être équilibrée, par exemple, par un ressort. Chaque immersion de masse se traduit par une remontée du piston magnétique qui peut commander l'ouverture ou les fermetures de contacts électriques.

Piston magnétique

L1 et L2 :variation de la longueur du ressort sous l'effet de la poussée d'archimède

L2 L1

L2

Contacts électriques L1

D IRA 1099 A

Masses de déplacement

Contracteur à plongeur équipé de contacts électriques 02377_A_F

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D 6 -2/B

7

Ampoule à mercure Pivot

Ressort de rappel

Tube magnétique

Niveau croissant Niveau décroissant

D IRA 1098 B

Aimant permanent

Piston magnétique

Contrôleur à plongeur équipé d'une ampoule à mercure Les masses sont en métal ou assez souvent en porcelaine. Elles possèdent parfois une forme conique pour éviter les risques de sédimentation. Comme pour les contrôleurs à flotteur, un même dispositif peut permettre la détection de plusieurs niveaux.

3-

DÉTECTEURS CONDUCTIFS

D IRA 1090 B

Le principe consiste à mesurer le courant électrique passant entre deux électrodes ou entre une électrode et la masse métallique d'un réservoir, lorsque le produit nécessairement conducteur vient au contact de la sonde pour fermer le circuit.

Exemples d'implantation de sondes conductives Ce type de sonde peut permettre également de détecter une interface entre deux liquides, un conducteur, l'autre isolant par exemple eau/hydrocarbure ou eau/huile. 02377_A_F

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D 6 -2/B

8

4-

DÉTECTEURS RADIOACTIFS La détection de niveau se fait par occultation du faisceau. La variation de rayonnement reçu se produit lors du remplacement de la phase liquide ou solide par la phase gazeuse ou inversement. Exemples d'applications :

Container et détecteur sont montés à la hauteur du niveau à détecter.

Appareil de commutation

Attention : le détecteur doit être monté exactement dans l'axe du rayonnement.

D IRA 1100 A

Le détecteur est monté en position horizontale. Détecteur

Source

D IRA 1101 A

Pour des réservoirs de grande dimension, raccourcissement du trajet par le choix d'une sécante.

D IRA 1102 A

Pour des réservoirs de très grandes dimensions, le trajet suivi par les rayons pourra être raccourci en introduisant la source radioactive dans un tube.

02377_A_F

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D 6 -2/B

9

5-

CONTACTEURS À PALETTE L'appareil se compose essentiellement d'un moteur entraînant une tige munie d'un palpeur. L'ensemble est en continuelle rotation. Lorsque le milieu dont on cherche à mesurer la hauteur atteint le palpeur, il se crée un couple résistant. Ce couple provoque alors le basculement d'un contact électrique. Ce type d'appareil peut être utilisé aussi bien sur des solides que des liquides.

Détecteur à palettes rotatives

6-

DÉTECTEUR DE NIVEAU PAR LAMES VIBRANTES Une ou plusieurs tiges ou lames vibrantes sont mises en oscillations à leur fréquence de résonance par effet piezoélectrique, lorsqu'elles entrent en contact avec le produit solide ou liquide, les oscillations sont assorties et déclenchent une commutation.

Réseau Charge extérieur Relais sans contact, stabilisation de tension, Allumage de LED Commutation en sécurité Min/Max Exploitation électronique

LED

S

E

Raccord 11/2conique Membrane

Repère Fourche

Piézoxydes

Effet piézoélectrique Capteur

Principe d'un détecteur à lames vibrantes 02377_A_F

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Étrier

D IRA 1104

Min / Max

D 6 -2/B

10

Point de commutation

Position du point de commutation

D IRA 1105 A

Point de commutation

Exemples de montage

suivant le sens de montage

7-

DÉTECTEURS OPTIQUES Mesure par réfraction (système à prisme conique).

D IRA 1106 A

Il s'agit d'un petit prisme conique en plastique ou verre situé dans un manchon. Une source lumineuse (LED) et une photorésistance sont logées dans ce manchon. La lumière s'échappe du prisme s'il est plongé dans un liquide (figure A), ou reste confinée avec retour sur la cellule s'il se trouve dans l'air (figure B).

Figure A

Figure B

02377_A_F

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D 6 -2/B

11

Des dispositifs similaires peuvent être utilisés avec des filtres optiques

D S

D

D

S

D IRA 1115 A

S

Liquide

Liquide

Liquide

D : détecteur S : source Détection de niveau tout ou rien par fibres optiques.

02377_A_F

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D 6 -2/B

12

IV - DÉTECTEURS DE DÉBITS 1-

CONTACTEURS À PALETTES Ce type d'appareil est utilisé pour la surveillance d'un écoulement. En fonction de la vitesse d'écoulement ou du débit, une palette placée dans la canalisation est déviée et déplace par exemple un aimant qui par phénomène de balancier va permettre la fermeture d'un contact.

D SEC 1330 A

Un ressort permet à la palette de revenir dans sa position initiale en absence de débit.

Vue extérieure d'un détecteur de débit à palette (Documentation BAMO)

2-

Détecteur de débit à palette (Documentation KOLBOLD)

CONTACTEURS ÉLECTROMAGNÉTIQUES

D IRA 1331 A

Les contrôleurs de débit électromagnétiques peuvent être montés latéralement par piquage sur une tuyauterie. Deux bobines magnétiques insérées dans le corps de l'appareil génèrent un champ magnétique commuté perpendiculaire à l'écoulement du liquide. Le champ magnétique et la vitesse d'écoulement induisent une tension U entre une électrode centrale et le corps du détecteur en inox. La tension U est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement v. La tension U aux bornes des 2 électrodes est transmise à un convertisseur intégré. La tension obtenue est comparée à un seuil de référence réglable qui permet de générer une alarme ou une séquence de sécurité.

Vue extérieure d'un détecteur de débit électromagnétique (Documentation KHRONE)

Implantation d'un détecteur de débit électromagnétique (Documentation KHRONE)

02377_A_F

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Risques et Préventions Liés au Matériel

INSTRUMENTATION - RÉGULATION - AUTOMATISMES VANNES DE RÉGULATION

D6

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

I - RÔLE DE LA VANNE DE RÉGULATION ............................................................................. 1 II - VANNES DE RÉGULATION CLASSIQUES......................................................................... 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

Description ............................................................................................................................. 2 Fonctionnement du servomoteur ........................................................................................... 3 Vannes à double siège .......................................................................................................... 4 Vannes à simple siège ........................................................................................................... 4 Position par manque d’air ...................................................................................................... 5 Maintien d’une vanne en position .......................................................................................... 7 Caractéristique de débit d'une vanne de régulation............................................................... 8 Coefficient de débit .............................................................................................................. 11 Bruit des vannes de régulation ............................................................................................ 14

III - POSITIONNEMENT DES VANNES DE RÉGULATION..................................................... 16 1 2 3 -

Signal régulateur pneumatique ............................................................................................ 16 Signal régulateur électrique ................................................................................................. 19 Position par manque d’énergie ............................................................................................ 22

IV - DIFFÉRENTS TYPES DE VANNES DE RÉGULATION..................................................... 23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -

Vanne de régulation à obturateur rotatif excentré................................................................ 23 Vanne à cage ....................................................................................................................... 28 Vannes trois voies ............................................................................................................... 29 Vanne micro débit à Cv ajustable ........................................................................................ 30 Vanne papillon ..................................................................................................................... 30 Vanne d'angle ...................................................................................................................... 32 Vanne à membrane ............................................................................................................. 32 Vanne à boule...................................................................................................................... 32 Autres types ......................................................................................................................... 33 Ventelles .............................................................................................................................. 34

V - ACCESSOIRES DES VANNES DE RÉGULATION ........................................................... 35 1 2 3 4 5

-

Électrovanne de déclenchement ......................................................................................... 35 Commande manuelle auxiliaire ........................................................................................... 36 Limiteurs de course ............................................................................................................. 36 Contacts de fin de course .................................................................................................... 36 Étanchéité de tige de clapet................................................................................................. 37

IR VAN - 00596_I_F - Rév. 2

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25/03/2005

-4/A

D 6 -4/A

1

RÔLE DE LA VANNE DE RÉGULATION Dans une boucle de régulation, l'organe final de réglage est, le plus souvent, une vanne qui par action sur le débit d'un fluide (gaz ou liquide) permet de réguler la grandeur mesurée (pression, débit, niveau, température, etc.). Cette vanne dont le mouvement est commandé par le signal venant du régulateur est dite vanne de régulation. Les vannes de régulation, encore appelées vannes automatiques, peuvent se décomposer en deux grandes familles, suivant le type de déplacements utilisés. Ces déplacements sont : - longitudinaux pour les vannes automatiques classiques - rotatifs pour les vannes automatiques type CAMFLEX de Masoneilan ou MAXFLOW de Schlumberger Les vannes automatiques, utilisées dans l'industrie chimique et pétrolière, sont le plus souvent à commande pneumatique. On s'attachera ici plus particulièrement à la description de ce type de vannes. Cependant, la même fonction peut être remplie par une vanne automatique à commande hydraulique, un registre ou des ventelles commandées par un servomoteur pneumatique (circuits d'air ou de fumées sur les fours), un variateur d'incidence de pales ou un variateur de vitesse de rotation commandant le débit d'air à travers un aéroréfrigérant, etc. Pour une vanne donnée et dans des conditions opératoires fixées (ouverture de la vanne, débit et nature du fluide), l'évolution de la pression statique au cours de la traversée de la vanne se fait comme indiqué sur le schéma suivant. Pression Pamont Perte de charge dans la vanne

Chute de pression maxi

Paval

Pmini

Entrée bride amont

Section contractée

Sortie bride aval

D IRA 100 A

I-

00596_I_F

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Récupération de pression

D 6 -4/A

2

II -

VANNES DE RÉGULATION CLASSIQUES 1-

DESCRIPTION

Ressort

Étrier

Partie liaison Partie débit

Corps de vanne

Presse-étoupe

Corps Clapet

Siège

D IRA 101 A

Servomoteur

Partie commande

Membrane

Vanne de régulation à simple siège

La vanne de régulation présentée ci-dessus se compose : -

d'un servomoteur comprenant : • deux couvercles, dont l'un est percé d'un orifice pour permettre l'arrivée d'airmoteur, • une membrane et son plateau support • un ressort à tension réglable • une tige de transmission

- d'un étrier, reliant le servomoteur au corps de vanne et muni d'une réglette indiquant la position du clapet. - d'un système d'étanchéité (tresses, goujons et fouloir de presse étoupe), qui permet d'assurer l'étanchéité le long de la tige du clapet. - d'un corps de vanne, renfermant le clapet dont le mouvement, guidé en translation, est solidaire par une tige du mouvement de la membrane.

00596_I_F

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D 6 -4/A

3

2-

FONCTIONNEMENT DU SERVOMOTEUR Le servomoteur est constitué d'une membrane souple, qui en se déformant sous l'action de la pression d'air, agit sur le plateau support pour écraser le ressort. La membrane du servomoteur est donc soumise à deux forces antagonistes. -

d'un côté la force due à la pression venant du régulateur. Cette force Fair est proportionnelle à la pression d'air régnant dans le servomoteur

- de l'autre côté la force due à la compression du ressort. Cette force Fressort est d'autant plus importante que le ressort est comprimé. Pour chaque valeur de la pression, il existe une position du ressort qui équilibre la force correspondante due à la pression. Pression de commande (P)

F air (force exercée par la pression d'air)

F air = P • S

F ressort (force développée par F ressort = K • ∆L la contraction du ressort) À chaque instant F air = F ressort

D IRA 102 A

Membrane

Pour une pression d'air donnée dans le servomoteur, le ressort se contracte d'une longueur ∆L, telle que la force qui en résulte (et qui est proportionnelle au raccourcissement du ressort) soit égale à la forme motrice correspondante. Pour chaque valeur de la pression, il existe une position d'équilibre du ressort. Le déplacement de la membrane qui en résulte est transmis par la tige au clapet, dont la course est ainsi proportionnelle à la pression d'air dans le servomoteur Un système de réglage permet d'ajuster la tension du ressort pour qu'en absence de toute autre résistance, sur la tige ou le clapet, la tige de vanne parcourt toute sa course quand la pression d'air passe de 0,2 à 1,0 bar. La correspondance entre la pression d'air et la course de la tige de vanne est illustrée par le schéma ci-après. 0

25

50

75

100%

Signal vanne en bar 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

00596_I_F

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D IAR 135 A

Course en % de la course totale

D 6 -4/A

4

3-

VANNES À DOUBLE SIÈGE

yyyy ;; ;; ;; yy ;; yy ;;yy ;; yy ; y ;y ;; ;;; yyy yy y ; ;;; yyy

Comme le montre la figure ci-dessous, une vanne de régulation à double siège est caractérisée par un double clapet et présente l'avantage d'être réversible, c'est-à-dire que l'on peut obtenir, par un montage approprié, une action d'ouverture ou de fermeture par manque d'air, sans adjonction ou modification de pièces. D'autre part, par rapport à une vanne simple siège, elle offre l'avantage de permettre pour la même dimension nominale, un débit plus important tout en nécessitant, pour le positionnement du clapet, un servomoteur de puissance modérée, car le fluide a tendance à équilibrer les efforts sur la tige de vanne.

D IRA 104 A

yyy ;;; ;;; yyy

4-

VANNES À SIMPLE SIÈGE

Une vanne automatique à simple siège, comme le montre la figure ci-après, présente des similitudes avec une vanne à double siège, mais contrairement au cas précédent un siège de type simple permet une excellente étanchéité. Le servomoteur quant à lui sera de taille plus importante compte tenu des forces non équilibrées provoquées par le passage du fluide à travers le siège unique. La valeur de ces forces qui peuvent être importantes est fonction de la dimension du corps de vanne et de la ∆P aux bornes de la vanne..

D IRA 105 A

yyy ;;; ;;; yyy

00596_I_F

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D 6 -4/A

5

5-

POSITION PAR MANQUE D’AIR Il peut arriver que le servomoteur de la vanne automatique ne soit plus alimenté pour des raisons diverses : -

panne sur le réseau Air-Instruments bouchage du filtre-détendeur avarie sur le positionneur liaison positionneur - servomoteur défectueuse etc.

La membrane n'est alors soumise qu'à l'action du ressort et la vanne automatique se mettra, dans ce cas, en position de sécurité. -

soit totalement ouverte soit totalement fermée

yy ;; y ; ;; yy ;; yy ;yyy ;; yy y ; ;;

La position de sécurité de la vanne automatique dépend du sens d'action du servomoteur, et du sens de montage du clapet. a - Sens d'action du servomoteur Air

Le ressort agit vers le bas

D IRA 106 A

Le ressort agit vers le haut

Air

•

Le servomoteur est à action directe si l'action du ressort tend à faire monter la tige de vanne

•

Le servomoteur est à action inverse si l'action du ressort tend à faire descendre la tige de vanne

b - Sens de montage du clapet

D IRA 107 A

Sens de circulation du fluide

•

Le clapet est à action directe si la descente de la tige de vanne fait fermer la vanne

•

Le clapet est à action inverse si la descente de la tige de vanne fait ouvrir la vanne

00596_I_F

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D 6 -4/A

6

Le tableau ci-dessous donne en fonction du sens d'action du servomoteur et du clapet, la position de sécurité de la vanne. — AIR OUVRE —

— AIR FERME—

Vanne fermée en position de sécurité

Vanne ouverte en position de sécurité

Servo moteur direct

Clapet inverse

Clapet direct

Clapet direct

Clapet inverse

D IRA 111 A

Servo moteur inverse

Le choix de la position de sécurité de la vanne dépend de son rôle dans le procédé, et il est dicté par des contraintes de sécurité. Ainsi par exemple : - la vanne commandant l'ouverture de la ligne de dégazage d'un ballon de reflux vers la torche devra être ouverte en position de sécurité - la vanne de sécurité équipant la ligne d'alimentation en fuel-oil d'un four, devra être fermée par manque d'air c - Symbolisations utilisées pour le repérage de la position par manque d’air

Fermée

Signification

AF

Air ferme

OPMA

Ouvre par manque d'air

FO

Fail open

SO

Spring open

AO

Air ouvre

FPMA

Ferme par manque d'air

FC

Fail close

SC

Spring close

00596_I_F

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Dessin symbolique

D IRA 112 A

Ouverte

Sigle

D IRA 112 B

Position de sécurité

D 6 -4/A

7

6-

MAINTIEN D’UNE VANNE EN POSITION Dans certains cas, panne du réseau d’air instrument par exemple, aucune des deux positions précédentes n’est judicieuse pour la sécurité du procédé ou du matériel. Il est alors souvent nécessaire de maintenir la vanne dans sa position lorsque l’alimentation d’air fait défaut. Exemple Dans un générateur de vapeur, la position par manque d’air de la vanne d’entrée de l‘eau est délicate : -

la vanne grande ouverte risque de remplir le générateur d’eau ainsi que le réseau vapeur

- la vanne fermée complètement risque de vider le générateur de l’eau liquide et de porter les tubes de génération de vapeur à une température plus élevée que le maximum supportable par la métallurgie Le maintien en position de la vanne est réalisé grâce à un relais de verrouillage interposé entre le positionneur et le servomoteur de la vanne. Ce relais se ferme par manque d’air et empêche le servomoteur de se décomprimer : la membrane reste donc en position. Relais de verrouillage Alimentation 1,4 bar ou plus

PY

Servo-moteur

Signal régulateur

Schéma de montage Réglage du seuil de verrouillage

Alimentation 1,4 bar ou plus

Vers servo-moteur Schéma de principe d'un relais de verrouillage

D IRA 1049 A

Signal de sortie positionneur

Le relais se ferme si la pression d’air d’alimentation chute, la descente du clapet bloquant la pression dans le servomoteur.

00596_I_F

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D 6 -4/A

8

7-

CARACTÉRISTIQUE DE DÉBIT D'UNE VANNE DE RÉGULATION a - Caractéristique intrinsèque La variation du débit dans la vanne en fonction de l'ouverture (% course), exprimée en pourcentage, peut être représentée par une courbe qui constitue la "caractéristique de débit" du clapet. La figure ci-dessous rassemble les 3 types de caractéristiques intrinsèques les plus courants des clapets à déplacement linéaire. Ces caractéristiques de débit sont : -

caractéristique "ouverture rapide" caractéristique "linéaire" caractéristique "égal pourcentage" ou exponentielle

100

Débit en % du débit maxi

ll e

éa

n tie

lin

one

ue tiq

e xp

ris cté

ou

ra

ge

Ca

ur

ce

nta

Cara

40

ctéris

tique

ouve

60

ire

rture

rapid

e

80

C ar

a

ri cté

stiq

u

al

po

Course en % de la course totale 0

20

40

60

80

D IRA 123 A

20

g eé

100

Les caractéristiques intrinsèques de débit les plus employées sont : - linéaire : le débit varie proportionnellement à la course du clapet - égal pourcentage : une même variation de course donne un même pourcentage d'augmentation du débit. D'autres caractéristiques de débits peuvent exister pour adapter une vanne automatique aux conditions particulières de chaque installation.

00596_I_F

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D 6 -4/A

9

b - Caractéristique de débit installée

D IRA 2182 A

Ces caractéristiques de débit données par le constructeur sont dites intrinsèques, car données pour une ∆P constante aux bornes de la vanne. Leur déformation dans une installation est fonction de celle-ci. Circuit Ainsi, pour une vanne montée en série sur un circuit résistant avec une ∆Pi totale aux bornes imposée, ∆P ∆P cette déformation est fonction du c v rapport d entre la ∆P vanne (∆Pv) ∆P et la ∆P totale ∆Pc. i d=

∆Pv ∆P i

Elle se traduit par les courbes représentées ci-dessous : % du débit maxi

% du débit maxi

1

1

0,9

0,9

=

0,7

0,5 = 1 d = d

0,6

0,3

d

0,8

0,3

0,5 0,4

0,3

0,3

0,2

0,2

0,1 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Caractéristique intrinsèque linéaire

% d'ouverture de la vanne

0,1 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

D IRA 124 A

0,4

d=

1

0,5

=

0,1

0,6

d

d=

0,7

0,1

d=

0,8

% d'ouverture de la vanne

Caractéristique intrinsèque égale pourcentage

On constate, comme le montrent les courbes ci-dessus, que pour une vanne linéaire, la caractéristique obtenue n'est pas une droite mais une courbe qui a tendance à rappeler celle d'une vanne à ouverture rapide avec la diminution de d, c'est-à-dire au fur et à mesurer que la perte de charge du circuit devient plus importante par rapport à la perte de charge de la vanne seule. Par contre les courbes établies pour une vanne "égal pourcentage", avec des valeurs identiques de d montrent que la caractéristique réelle de la vanne se rapproche de la loi linéaire.

00596_I_F

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D 6 -4/A

10

c - Différents types de clapets Le clapet peut prendre différentes formes, suivant la caractéristique de débit que l'on désire obtenir. Les profils de clapets les plus courants sont représentés ci-dessous

30°

30°

Clapet tourné type A •

30°

30°

Clapet tourné type B

30°

Clapet en V (ou V-port)

Clapet disque

D IRA 109 A

30°

Clapet disque ou "Tout au Rien"

Ils sont employés avec des régulateurs "tout ou rien" ou avec des éléments de sécurité, pour l'ouverture ou la fermeture d'un circuit en cas d'urgence. Ces clapets en forme de soupape peuvent être simples ou doubles. Le débit maximum passant dans la vanne est obtenu très rapidement, environ sur le tiers de la course. Dans la zone de début d'ouverture la caractéristique est linéaire •

Clapet en V ou V port

Ces clapets ont la forme d'un V. Suivant la forme du V, la caractéristique de débit peut être linéaire ou égal pourcentage. Ces clapets possèdent une plage de régulation très étendue. Leur emploi est déconseillé pour des liquides chargés et lorsque la chute de pression est élevée. •

Clapet tourné type B ou type parabolique

Ces clapets présentent une caractéristique du type égal pourcentage. Ils conviennent bien pour des liquides chargés. Leur plage de régulation est moins étendue que celle des clapets en V. •

Clapets tournés type A ou type linéaire

Ces clapets sont calculés pour obtenir une caractéristique linéaire. On les emploie surtout quand le fluide contrôlé contient des matières en suspension. Ils conviennent pour des circuits à faibles variations de débit et de pression et, en général, dans un circuit stable lorsqu'on connaît exactement les limites des variations et que l'on n'aura jamais à fonctionner dans des conditions proches de la fermeture. 00596_I_F

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D 6 -4/A

11

8-

COEFFICIENT DE DÉBIT Le coefficient de débit Cv caractérise la cpacité de débit d'une vanne à ouverture donnée : il est défini dans le système anglo-saxon comme le nombre de gallons US d'eau, de densité 1, traversant la vanne par minute sous une ∆P de 1 PSI. Par exemple pour un liquide en écoulement turbulent non critique, il se calcule par la relation suivante :

C v = 1,156 Qv

 √

t d15 ∆P

Qv en m 3/h ∆P en bar C v en gallon US/min d'eau à 60°F

Si on considère qu'il existe un débit minimum contrôlable correspondant à 10 % de la course, en dessous duquel un contrôle satisfaisant ne peut être garanti, la rangeabilité d'une telle vanne, définie Cv maxi est égale à 10. comme le rapport r = C v mini

Circuit

∆P v ∆P i

∆P vanne ∆Pc

Pour un circuit série au refoulement d'une pompe centrifuge avec ∆Pi = fixé lorsque le débit augmente, - ∆Pc augmente (comme le carré du débit) - donc ∆Pv doit diminuer Si l'on se donne une marge de sécurité de 50 % sur le Cv au débit nominal du circuit, le Cv vanne ouverte à 100 % est alors Cv 100 % > Cv nominal, valeur à rechercher (au plus près) dans les tableaux des constructeurs. Le débit minimum à faire passer dans le circuit permet alors le calcul du C v mini. Les coefficients de débit mini et maxi doivent être compatibles avec la plage de rangeabilité de la vanne sinon il pourra être nécessaire de prévoir l'installation de 2 vannes en "Split Range" (ou étendue partagée).

00596_I_F

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D IRA 2182 B

∆P c

D 6 -4/A

12

Pertes de charge, caractéristique et coefficients d'écoulement, course et diamètre de tige Vanne GL Fisher Control

Diamètre du corps de vanne

mm

in

Diamètre de l'orifice

mm

25

40

50

80

100

Course du Perte de clapet de charge maxi vanne

Fermeture Ouverture ou Égal Linéaire rapide écoulement pourcentage bar

Diamètre de la tige de vanne

mm

mm

40

20

12

40

20

12

0,0055 0,0205 — — —

— — 0,033 0,082 0,228

— — — — —

4,8 6,4 9,5 15

0,685 1,41 2,70 4,99

— — 2,7 4,97

— — — 5,29

4,8

0,0055 0,0205 —

0,033 0,082 0,228

— —

4,8 6,4 9,5 12,7 22

0,69 1,42 3,04 5,05 10,55

— — — 5,20 10,99

— — — — 10,99

1-1/2

12,7 25,4 35

5,1 13,6 25,9

5,5 15,7 30,4

— — 29,8

40

20

12

2

12,7 25,4 35 43

5,1 13,6 26,4 38,2

5,6 16,3 32,2 46,0

— — — 47

40

20

12

3

25,4 43 51 70

13,6 38,3 61,0 97,7

16,7 44,6 64,2 109

— — — 111

40

20 20 30 30

18

4

25,4 43 51 70 88

13,6 37,6 63,4 104 149

16,7 44,6 64,2 115 159

— — — — 168

40

20 20 30 30 30

18

4,8 15

Coefficient d'écoulement du liquide (C v ) à la course maximale

1/2

1

00596_I_F

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D 6 -4/A

13

D IRA 2195 A

Vanne GL Fisher Control

00596_I_F

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D 6 -4/A

14

9-

BRUIT DES VANNES DE RÉGULATION a - Définition L'écoulement d'un fluide à travers une vanne de régulation s'accompagne toujours d'une émission de bruits, d'origine mécanique d'une part, d'origine aérodynamique d'autre part, et qui existent tous deux simultanément. Les premiers proviennent essentiellement des vibrations des pièces mobiles constituant la vanne, vibrations créées par les effets dynamiques du fluide ; ils s'éliminent par des choix technologiques appropriés : matériaux très durs, ajustement mécanique de qualité, bon équilibrage dynamique des équipements. Ne restent donc que les bruits d'origine hydrodynamique ou aérodynamique qui, dans 5 à 10 % des cas, conduisent à un niveau de bruit dépassant les 85 dB. b - Bruits hydrodynamiques-puissance acoustique La vanne constitue une source sonore qui émet une puissance acoustique Pa (watt) correspondant à une intensité acoustique I (W/m2 ) à distance donnée r ; cette puissance acoustique est proportionnelle à la puissance mécanique mise en jeu, laquelle correspond essentiellement à la variation d'énergie de vitesse dans la vanne. c - Bruits de cavitation des liquides Si le phénomène de cavitation apparaît, avec des surpressions locales pouvant atteindre 7000 bar, le bruit de cavitation, qui croît au fur et à mesure que la cavitation se développe, s'ajoute au bruit hydrodynamique. d - Solutions aux problèmes de bruit Le phénomène peut être significativement aggravé par : -

le sous dimensionnement des diamètres de tuyauteries la proximité d'accidents de tuyauteries (coudes, convergents, ...) une trop grande rigidité des fixations de la vanne la proximité de surfaces réfléchissant le bruit

Il sera amélioré par : l'isolation acoustique : par un capotage soigné effectué avec 10 cm de laine de roche dense, le gain peut atteindre 20 dB - l'utilisation sur quelques mètres d'une surépaisseur de tuyauterie : gain de 10 dB en schédule 160 par rapport au schédule 40 sur une vanne de 4" - implantation en aval du corps de vanne de silencieux à disques perforés : jusqu'à 50 dB de réduction

540 mm environ

00596_I_F

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D IRA 2196 A

ø 100 mm

ø 150 mm

-

D 6 -4/A

15

-

implantation d'orifices en aval de la vanne et qui provoquent : - une diminution de la détente nécessitée par la vanne elle-même - une régularisation de l'écoulement du fluide ce qui fait baisser de 5 à 10 dB le rendement acoustique de la vanne

Divergent 1 1/2" x 2"

Divergent 2" x 3"

Cartouche avec corps absorbant

D IRA 2197 A

MAXFLO ø 1" 1/2

- équipement interne anti-cavitation, conçu pour réduire le rendement acoustique de la vanne -

profil du clapet et du siège "repoussant" le début de cavitation cage anti-cavitation, fractionnant l'écoulement cage anti-bruit fractionnant l'écoulement en un grand nombre de petits jets

Clapet-siège Anti-C

Vue éclatée d'une vanne d'angle Anti-B

00596_I_F

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D 6 -4/A

16

III - POSITIONNEMENT DES VANNES DE RÉGULATION Le bon fonctionnement d'une boucle de régulation exige que, quelles que soient les conditions de fonctionnement, la course du clapet correspond à la valeur du signal de sortie du régulateur. Or, certaines forces parasites peuvent gêner le mouvement du clapet : - poussée exercée par les fluides (surtout dans le cas des clapets à simple siège) exerçant une forces plus élevée que les conditions d'utilisation sont sévères : fluide visqueux ou chargé, pression différentielle élevée - frottement de la tige de transmission dans son presse étoupe - ressort exerçant une force qui n'est pas exactement proportionnelle au déplacement qu'il subit - variation de surface due à la déformation de la membrane, - etc. Il est donc nécessaire pour obtenir une position du clapet qui corresponde à la valeur du signal de commande d’équiper la vanne d’un positionneur. Le positionneur alimenté en air instrument (1,4 bar rel. ou plus), reçoit le signal de commande du régulateur. Un levier d'asservissement permet au positionneur de comparer à tout instant la position du clapet de la vanne avec la position théorique correspondant au signal du régulateur et de moduler en conséquence la pression d'air vers la membrane du servomoteur. Cette pression de sortie peut suivant les cas être inférieure ou supérieure à celle du signal régulateur. Le positionneur d’une vanne de régulation est donc un régulateur fonctionnant en boucle fermée dans lequel : -

mesure consigne signal de commande

= position de la tige de vanne = signal de commande venant = signal pneumatique vers le servo-moteur

Signal de commande

I

AI

P

AI

Vanne de régulation

D IRA 1005 A

Alimentation

00596_I_F

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D 6 -4/A

17

1-

SIGNAL RÉGULATEUR PNEUMATIQUE Ici le seul appareil utilisé est un positionneur pneumatique. a - Implantation du positionneur dans la boucle de régulation

Sortie positionneur vers servomoteur

Signal pneumatique venant du convertisseur

Positionneur pneumatique

D IRA 108 A

Alimentation 1,4 bar

Liaison tige de vanne positionneur

b - Principe de fonctionnement

Signal de sortie du positionneur

Alimentation (1,4 bar)

Signal régulateur (0,2 - 1 bar)

Liaison tige de vanne positionneur

Ressort d'équilibre

Positionneur

D IRA 110 A

Relais pilote

Le signal venant du régulateur est introduit dans un soufflet ; en opposition se trouve un ressort qui permet d'équilibrer les déplacements du soufflet. Ces déplacements commandent, par l'intermédiaire d'un levier mobile, un système buse-palette qui génère la pression allant vers le servomoteur. Sous l'effet de la pression, la tige de vanne se déplace et entraîne avec elle la tige de liaison vannepositionneur qui va agir sur le ressort pour que le système trouve sa position d'équilibre. Il n'y a ainsi qu'une seule position de vanne pour chaque position correspondante du soufflet lorsque le système est à équilibre.

00596_I_F

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yyy ;;; ;;; yyy yy ;; y ; yy ; yyy ;;; ;;; yyy ;y

D 6 -4/A

18

c - Exemple d'appareil industriel

Alimentation

yyyyy ;;;;;; yyyyyy ;;;;; yyyyy ;;;;;; yyyyyy ;;;;; yyyyy ;;;;; yyyyy ;; yy y ; ;;;;; yyyyy ;; yy ;;;;; ;; yy 2

Signal de commande Robinet de by-pass

1

3

Pilote

Indicateur de position

Servomoteur

Lame flexible Levier Index de réglage Ressort de réglage Ensemble de liaison Tige de vanne-positionneur

Tige de vanne D IRA125 A

Manomètres 1- Signal de mesure 2- Pression d’alimentation 3- Pression sortie positionneur Schéma de fonctionnement du positionneur 7400 (Doc. MASONEILAN)

Un positionneur, tel que celui représenté ci-dessus est constitué d'un levier articulé sur une lame flexible et soumis à deux forces : - la force créée par un soufflet recevant le signal venant du régulateur - la force de rappel d'un ressort, solidaire par un ensemble de liaison, de la position de la tige de vanne L'extrémité du levier vient agir sur la position du clapet du relais dont on voit le détail ci-dessous :

yy ;; y;yy ;; ;; yy ; y ;; yy yyy ;;; ;; yy Sortie vers servomoteur

Siège côté alimentation

Clapet

Extrémité du levier positionneur

Siège côté atmosphère

00596_I_F

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D IRA 114 A

Alimentation 1,4 bar relatif

D 6 -4/A

19

2-

SIGNAL RÉGULATEUR ÉLECTRIQUE Il est possible de réaliser le positionnement de la vanne de 2 façons : -

soit en transformant d'abord le signal électrique en signal pneumatique par un convertisseur électro-pneumatique (ou convertisseur Intensité-Pression) lequel est suivi d'un positionneur pneumatique

- soit en utilisant un positionneur électro-pneumatique qui réalise à la fois la transformation du signal et le positionnement a - Convertisseur électro-pneumatique associé à un positionneur pneumatique

Convertisseur électro-pneumatique

Signal venant du régulateur

Ι

Signal de sortie du convertisseur

Sortie positionneur vers servomoteur

P

Alimentation 1,4 bar

Liaison tige de vanne positionneur

Positionneur pneumatique

D IRA 131 A

Alimentation 1,4 bar

Le convertisseur se situe entre le régulateur (électrique) et le positionneur pneumatique, ou directement sur la vanne de régulation. •

Principe de fonctionnement du convertisseur I/P

Alimentation 1,4bar

Système buse-palette Relais pilote

Sortie convertisseur (0,2 - 1b) Point de pivotement

Signal régulateur (4 - 20mA) Ressort de zéro

Bobine

- une bobine mobile autour d'un aimant et parcourue par le courant à convertir -

un système buse-palette

-

un dispositif de contre-réaction

D IRA 129 A

Levier mobile

Le convertisseur électro pneumatique est un appareil à équilibre de force composé d'un levier pivotant supportant :

00596_I_F

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D 6 -4/A

20

Toute variation du signal électrique parcourant la bobine provoque un déplacement du levier et donc de la palette. Il en résulte une modification de la pression de sortie buse jusqu'à ce que la contre réaction équilibre la nouvelle force appliquée au levier. Le convertisseur est équipé d'un relais pilote s'il doit commander directement la vanne automatique. Sinon la sortie du convertisseur peut aller en signal de commande du positionneur pneumatique. •

Exemple d'appareil industriel

Bobine Fils de bobine

Vis de fixation du mécanisme

y ;yy;; Buse

Sortie vers relais pneumatique Ressort de zéro Lamelles flexibles Pôle supérieur d'aimant

Alimentation

Ressort de zéro

Bobine

yy y; ;; ;; y; yy

Bouchon anti-déflagrant

Noyau de réglage

Electroaimant D IRA 117 A

Orifice calibré

Palette

Coupe d'un convertisseur électropneumatique (Doc. MASONEILAN)

00596_I_F

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D 6 -4/A

21

b - Positionneur électropneumatique Le positionneur électropneumatique présente l'intérêt de regrouper en un seul appareil les fonctions exercées par : -

un convertisseur électro-pneumatique un positionneur pneumatique

Un positionneur électropneumatique est constitué : -

d'une partie conversion du signal électrique en une pression d'air modulée analogue au convertisseur électropneumatique

-

d'un système buse-palette associé à un relais pilote en vue de diminuer le temps de réponse de la vanne

- d'un ensemble de liaison tige de vanne-positionneur qui asservit le signal de sortie du pilote à la position du clapet de la vanne et qui assure la contre-réaction sur le levier

Signal de sortie du positionneur

Alimentation (1,4 bar)

Signal régulateur (4 - 20mA)

D IRA 115 A

Relais pilote

Liaison tige de vanne positionneur

•

Positionneur Ressort d'équilibre

Intégration du positionneur électropneumatique dans la boucle de régulation Sortie positionneur vers servomoteur

Signal venant du régulateur

Ι

P

Positionneur électrique

Liaison tige de vanne positionneur

00596_I_F

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D IRA 132 A

Alimentation 1,4 bar

D 6 -4/A

22

Appareil industriel

;; yy y ; y; ; y Buse

Ressort d'équilibre

yyy ;;; ; y ; y ;;; yyy ;;; yyy ; y ;; yy ;; yy ; y ;;;;; yyy yy y ; yy ; ; y ;; yy ; y Pression d'alimentation

Sortie vers le servomoteur de la vanne

yy ;; ;; yy Pilote

Joint torique

Balancier

Bobine Electroaimant Plaque circuit Roulement palpeur de came

yy ;;

Bouchon anti-déflagrant

Pression d'alimentation

Lamelles flexibles

Support moulé

Pression de sortie

Pression du circuit de buse

Doc. MASONEILAN

D IRA 116 A

•

À l'état d'équilibre, toute variation du signal électrique de commande parcourant la bobine détermine un déplacement de la palette devant la buse. Ce déplacement provoque une variation de la pression dans le circuit de la buse, laquelle modifie la pression de sortie du positionneur par l'intermédiaire du pilote. Cette variation de pression de sortie agit sur le servomoteur, modifiant ainsi la position de la tige de commande. Le levier arrière du positionneur transmet ce déplacement au ressort d'équilibre. La modification de tension de celui-ci tend à contrarier le déplacement imposé au balancier par la variation du signal électrique parcourant la bobine, jusqu'à ce que l'équilibre du balancier soit obtenu. La pression de sortie est stabilisée et le clapet de la vanne commandée occupe la position désirée.

3-

POSITION PAR MANQUE D’ÉNERGIE Par manque d’énergie, le signal-régulateur électrique tombe à zéro. En conséquence : - si le positionneur ou le convertisseur sont directs le signal pneumatique tombe à zéro ; la position par manque d’énergie est la position par manque d’air -

si le positionneur ou le convertisseur sont inverses, le signal pneumatique prend sa valeur maximum ; la position par manque d’énergie est l’inverse de la position par manque d’air

00596_I_F

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D 6 -4/A

23

IV - DIFFÉRENTS TYPES DE VANNES DE RÉGULATION Quelles que soient les techniques de réalisation employées, toute vanne de régulation pneumatique est pourvue des fonctions précédemment étudiées sur les vannes droites, à savoir : -

1-

le servomoteur le corps de vanne contenant l'obturateur l'ensemble de liaison entre servomoteur et obturateur le positionneur le système d'étanchéité entre le corps de vanne et la tige de l'obturateur

VANNE DE RÉGULATION À OBTURATEUR ROTATIF EXCENTRÉ a - Principe de fonctionnement Signal de commande 0,2 - 1 bar

Clapet à portée sphérique

D IRA 119 A

Servomoteur à membrane déroulante

Siège

Dans ce type de vanne, l'obturateur est relié à l'arbre de commande par un ou deux bras flexibles. Il découvre le siège au moyen de son mouvement rotatif. Le centre de la portée sphérique de l'obturateur est décalé par rapport à l'axe de l'arbre de commande, entraîné par le servomoteur. Cette particularité permet à l'obturateur de n'être en contact avec le siège qu'à l'instant même de la fermeture. Ce type de vanne présente quelques avantages sur les autres types : - très bonne étanchéité à la fermeture - encombrement et poids réduits (quatre positions du servomoteur sont généralement prévues, ce qui permet un montage plus aisé) - caractéristique de débit pratiquement linéaire Siège

Obturateur

Fluide Guide

Arbre Commande manuelle

Levier

Servomoteur

Signal de commande

00596_I_F

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D IRA 120 A

Bras flexible

24

yyyy ;;;; ;; yy ; y ;; yy ; y ;;;; yyyy ;; yy ; y ;; yy ;; yy ; y ;;;; yyyy ;; yy y; yy ;;

D 6 -4/A

b - Servomoteur à membrane déroulante

Le servomoteur à membrane déroulante est constitué d'un cylindre serré entre 2 flasques par 4 tirants. La membrane déroulante est fixée à la fois au cylindre et au piston solidaire de la position du ressort. Ressort

Tige de piston

Écrou de fixation

Tige d'assemblage

Piston

Membrane

D IRA 122 A

eilan

Servomoteur à membrane déroulante (Doc. MASONEILAN)

Contrairement au servomoteur classique, où le déplacement de l'ensemble plateau-membrane est faible, ce servomoteur dispose d'une course importante. Ceci permet une plus grande précision du positionnement de l'obturateur. La liaison entre servomoteur et tige d'obturateur, réalisée par une tige flottante, permet la transformation directe d'un mouvement linéaire en mouvement rotatif. Ceci permet d'éviter les forces de frottement des dispositifs classiques (tels que leviers à rotules). c - Corps de vanne et obturateur

yyy ;; yy ;;; y ; yy ;; ;;; yyy ; y ;;; yyy y;

Dans le corps de vanne à passage direct l'obturateur rotatif excentré vient fermer plus ou moins l'orifice muni du siège. Bord de fuite de l'obturateur

Bras flexible

Axe de l'arbre

Bord d'attaque de l'obturateur

D IRA 121 A

50°

Coupe du corps de vanne (Doc MASONEILAN)

La tige d'obturateur à mouvement rotatif permet en outre une réalisation plus aisée de l'étanchéité. 00596_I_F

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D 6 -4/A

25

Le siège est fixé dans le corps au moyen d'une bague de serrage filetée. Cette construction évite toute déformation du siège et assure une parfaite étanchéité entre le siège et le corps de vanne. Du fait de l'absence de frottement sur le siège dès que la vanne commence à s'ouvrir, le couple de frottement est relativement bas et reproductible, ce qui permet la mise en place d'un servomoteur de plus petite dimension. De plus, le profil de la vanne lui donne un coefficient de débit Cv nettement plus avantageux que celui d'une vanne classique, permettant l'utilisation de vannes de dimensions nominales plus faibles. d - Positionneur La particularité du positionneur électro-pneumatique ou pneumatique réside dans le fait que l'asservissement entre l'obturateur et la positionneur est réalisé par l'intermédiaire d'une came. Pour un signal donné la position que prend l'obturateur, et donc le débit passant dans la vanne, dépend du profil de cette pièce. C'est elle qui fixe la caractéristique de débit réelle de la vanne, laquelle est, de ce fait, facilement modifiable.

Positionneur à action directe

Positionneur à action inverse

Came

Levier Ressort de contre-réaction

Robinet de by-pass

Pression d'alimentation

Ressort de rappel

Tiroir du pilote

Échappement

Pression de sortie

Pression signal

Doc. MASONEILAN

00596_I_F

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D IRA 126 A

Diaphragme

D 6 -4/A

26

Les différentes combinaisons position levier-secteur choisi permettent de définir : -

Positionneur DIRECT monté sur vanne FERMANT PAR MANQUE D'AIR

OU

Position du levier (4)

OU

Levier à droite

0,2-1 LIN. 3-15 LIN. 0-100 LIN.

0,2-1 PERC. 3-15 PERC. 0-100 PERC.

0,2-0,6 LIN. 3-9 LIN. 0-50 LIN.

Levier à gauche

0,6-1 LIN. 9-15 LIN. 50-100 LIN.

0,2-1 LIN. 3-15 LIN. 0-100 LIN.

0,2-1 PERC. 3-15 PERC. 0-100 PERC.

0,2-0,6 LIN. 3-9 LIN. 0-50 LIN.

0,6-1 LIN. 9-15 LIN. 50-100 LIN.

6 3

3 4

1

2 3

6 5

4

Doc. MASONEILAN Commande manuelle

Presse-étoupe

Vanne Camflex Doc. MASONEILAN

Vanne Maxflo Doc. SCHLUMBERGER

D IRA 139 A

Corps

00596_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D IRA 138 A

Obturateur-siège

Mécanisme de commande

D IRA 127 A

5

3 2

4

10

1

2

11

4

6

5

5 9

2

8

12

1

10

9

11

7

8

9

10

2

12

11

3 1

8

7

4

7

5 6

12

Sélection position et calage du secteur de came

Positionneur DIRECT monté sur vanne FERMANT PAR MANQUE D'AIR

1

Échelle et caractéristique BAR P.S.I. du secteur % de came

Positionneur INVERSE monté sur vanne OUVRANT PAR MANQUE D'AIR

Positionneur INVERSE monté sur vanne OUVRANT PAR MANQUE D'AIR

6

Actions de la vanne et du positionneur

la position de sécurité de la vanne le sens d'action direct/inverse de l'ensemble la caractéristique de débit le fonctionnement ou non en Split Range

D 6 -4/A

27

c - Exemple : corps de vanne V500 Fisher control

Cv Maximal pour une rotation de 90 degrés Diamètre du corps

Sens d'écoulement direct

Sens d'écoulement indirecte

mm (pouces)

Orifice à passage intégral

Orifice à passage réduit

Orifice à passage intégral

Orifice à passage réduit

25 (1)

12,2

5,01

16,2

5,76

40 (1 1/2)

26,6

10,9

31,0

12,2

50 (2)

46,2

17,3

57,4

18,9

80 (3)

142

48,4

141

56,3

100 (4)

255

98,2

235

102

150 (6)

565

200

717

232

200 (8)

1050

623

986

646

00596_I_F

 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

D 6 -4/A

28

2-

VANNE À CAGE La particularité de ces vannes tient dans la réalisation de l'obturateur. Celui-ci est constitué d'un piston se déplaçant dans un cylindre (ou CAGE) percé d'orifices. Sevomoteur pneumatique

Presse-étoupe

Cage et obturateur

D IRA 142 A

Obturateur Cage ou siège

Corps Vanne à cage Doc. SCHLUMBERGER

Pour une position donnée du piston, le débit passant dans la vanne va dépendre de la forme des orifices de la cage ; c'est donc elle qui détermine la caractéristique de débit de la vanne. 100 80

rapid

e

60

20

e air é Li n

Ex 0

0

20

40

en pon

t ie

60

l

80

100

D IRA 143 A

Ou v e

rture

40

Ce type de vanne permet des réglages de débits sous de fortes chutes de pression et procure une bonne étanchéité à sa fermeture.

00596_I_F

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D 6 -4/A

29

3-

VANNES TROIS VOIES Équipées d'un clapet double siège, elles permettent, suivant la disposition respective de ceux-ci :

Vanne de dérivation

D IRA 148 A

Vanne mélangeuse

D IRA 149 B

- soit le mélange de 2 fluides différents : il s'agit alors d'une vanne mélangeuse - soit la séparation en 2 flux du produit d'entrée : il s'agit alors d'une vanne de dérivation

Doc. SCHLUMBERGER

Quel que soit le type de vanne, mélangeuse ou de dérivation, l'écoulement du fluide doit se faire de manière à ce que le clapet ait tendance à s'ouvrir par un accroissement de débit. Ces vannes ne sont donc pas interchangeables. Il est à noter également que n'étant pas équilibrées, ces vannes de régulation nécessitent pour fonctionner d'une manière satisfaisante, surtout dans les grosses dimensions, un actionneur de plus grande dimension qu'une vanne de régulation classique.

00596_I_F

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D 6 -4/A

30

4-

VANNE MICRO DÉBIT À CV AJUSTABLE

Réglage du CV

Vanne micro à CV ajustable

D IRA 118 A

La possibilité d'ajustement du Cv sur cette vanne à pointeau permet de s'affranchir des incertitudes liées au dimensionnement de la vanne, incertitudes qui conduisent dans la plupart des cas au choix d'une vanne se révélant trop grande et travaillant donc à ouverture trop faible.

Doc. MASONEILAN

5-

VANNE PAPILLON Le clapet est remplacé par un disque pivotant de 90° ou 60° autour d'un axe passant par son centre. Ce sont des vannes qui trouvent leur application essentiellement : - sur les canalisations de grands diamètres - pour les produits corrosifs - pour les débits importants à basses pressions

Vanne papillon Doc. NELES JAMESBURY

00596_I_F

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D IRA 137 A

De plus, ce sont des vannes qui permettent une caractéristique de débit de type "égal pourcentage".

D 6 -4/A

31

Poids approximatif et coefficient d'écoulement caractéristique des corps de vanne Classe 300

C v à pleine ouverture (90 degrés), avec orifice intégral et axe Classe 3-5

Diamètre du corps en pouce

Poids approximatif Classe 300 kg

2 3 4 6 8

15,9 22,7 36,3 45,4 54,4

59 178 362 1070 1960

10 12 14 16 18

68,0 90,7 167,8 208,7 240,4

2650 4560 5670 7960 9340

20 24 30 36

263,0 386,6 544,3 839,2

12200 18600 31100 49400

Disque Fishtail

00596_I_F

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D 6 -4/A

32

6-

VANNE D'ANGLE La vanne d'angle présente la particularité que l'entrée et la sortie sont à angle droit. La première étant située sur le côté du corps de vanne et la sortie à sa partie inférieure. Ce sont des vannes employées le plus souvent lorsqu'on désire avoir une forte perte de charge dans la vanne (détente multiétagée).

Servomoteur

Presse-étoupe Corps de vanne

Vanne d'angle Doc. SCHLUMBERGER

7-

D IRA 147 A

Clapet-siège

VANNE À MEMBRANE La vanne à membrane permet d'apporter une solution pour des cas d'applications difficiles qu'il n'est pas possible de résoudre de manière satisfaisante par les moyens habituels. Les vannes à membrane ont particulièrement un rôle important dans l'industrie alimentaire et l'industrie chimique pour les fluides chargés et corrosifs. Le fluide circule sous une membrane qui en se déformant modifie la section de l'orifice.

8-

VANNE À BOULE Les vannes à boule présentent un certain nombre de qualités parmi lesquelles : - capacité de débit importante - très bonne étanchéité - simplicité de construction Ces vannes peuvent être classées en deux catégories : - à sphère conventionnelle - à segment sphérique, qui peut sur certains modèles comporter une échancrure en V ou un contour parabolique Les vannes à segments sphériques sont étudiées pour pouvoir être employées dans des conditions de services plus sévères que les vannes à sphère conventionnelle.

00596_I_F

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D 6 -4/A

Vanne à segment sphérique

D IRA 141 A

D IRA 140 A

33

Vanne à sphére conventionnelle

Doc. NELES JAMESBURY

9-

AUTRES TYPES Cette liste de vannes n'est pas limitative, car il existe d'autres types de vannes dont l'emploi, cependant, est moins répandu, par exemple :

Organe de commande

Étanchéité vis à vis de l'extérieur

Clapet-siège

Q IRA 144 A

Corps

Vanne à soufflet d'étanchéité Doc. SCHLUMBERGER

Vanne de vidange Doc.KAMMER

00596_I_F

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Vanne cryogénique Doc.KAMMER

D 6 -4/A

34

10 - VENTELLES

D IRA 310 A

Les ventelles permettent de contrôler un débit gazeux en général à l’aspiration ou au refoulement d’un ventilateur. Simples ou multiples, elles sont pilotées par un servomoteur pneumatique.

1" 1/2 1" 1/2

1"1/2

Automatisme de procédé

AUTOMATE

140 GBE 501 DR

ASP AIR

M

145 FCV 501 DR

I40 PG 06

I40 KV 114

4" 140 GBE 114

1/2" 2"

VENTELLES

2"

2" 10" CLAPET 145 TG

2"

504

505

10"

ÉTAT MOTEUR

3"

145 KKM

BP MARCHE

BP ARRÊT

504

DEFAUT ÉLECTRIQUE

8"

145 XA 307

ARR T CELLULE MOTEUR MARCHE

Ventelles à l'aspiration d'un ventilateur avec préchauffe à la vapeur de l'air refoulé

Automatismes de sécurité

00596_I_F

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D IRA 311 A

M

2"

145 TG

D 6 -4/A

35

V-

ACCESSOIRES DES VANNES DE RÉGULATION 1-

ÉLECTROVANNE DE DÉCLENCHEMENT Munie ou non d'un bouton-poussoir de réarmement local, elle peut être intercalée dans le circuit pneumatique de liaison positionneur servomoteur comme le montre le schéma ci-après. Signal de commande de l'electrovanne (sécurité, arrêt d'urgence,…)

Atm Signal de commande

D IRA 128 A

Alimentation 1,4 bar

En fonctionnement normal, l'air passe du positionneur au servomoteur, la mise à l'atmosphère est fermée. Signal électrique de commande vers servomoteur

D IRA 133 A

Atmosphère Pression du positionneur

Lorsque l'électrovanne est actionnée le servomoteur est mis en communication avec l'atmosphère et la liaison avec le positionneur est fermée. Ceci permet la mise en position de sécurité de la vanne de régulation. Signal électrique de commande vers servomoteur

Pression du positionneur

00596_I_F

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D IRA 133 B

Atmosphère

D 6 -4/A

36

2-

COMMANDE MANUELLE AUXILIAIRE D'une manière générale, les actionneurs peuvent être équipés d'une commande manuelle auxiliaire permettant la manœuvre ou le blocage en position de la vanne : - soit volontairement, la régulation est désaccouplée dans les périodes d'essai ou de démarrage - en cas de manque de signal ou d'énergie (air comprimé, électricité) comme organe de secours ou sécurité Dans de nombreux actionneurs, la commande manuelle, non réversible, entrave le fonctionnement automatique et elle doit être débrayée quand elle ne sert pas.

3-

LIMITEURS DE COURSE

D IRA 136 A

Ils sont employés pour éviter la fermeture complète des vannes, le plus souvent pour des raisons de sécurité. Ainsi, ils équipent souvent les vannes de régulation des circuits de combustible des fours dans le but d’éviter une trop basse pression de combustible rendant la flamme instable.

Butée à vis sur fond de vanne

4-

CONTACTS DE FIN DE COURSE Ce dispositif permet de signaler à distance la fermeture ou l'ouverture complète de la vanne, ils peuvent aussi indiquer une position intermédiaire déterminée. Sur les SNCC ou en commande à distance, il est souvent utile d'avoir une indication continue de la position de vannes de réglage, qu'il s'agisse de vannes faisant partie de chaînes de régulation ou de vannes de réglage manuel. Dans ce cas, on équipe les vannes de transmetteur de position, pneumatiques ou électriques. Ces transmetteurs de position sont le plus souvent des appareils qui dérivent des positionneurs.

00596_I_F

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D 6 -4/A

37

5-

ÉTANCHÉITÉS DE TIGE DE CLAPET

Tige clapet de vanne

Bride de fouloir Garniture d'étanchéité à chevrons en PTFE Boîte à garniture

D IRA 166 A

Chapeau Ressort de garniture d'étanchéité

Détails du chapeau de vanne

Tige

Robinet d'isolement

Lanterne

D IRA 167 A

Garniture d'étanchéité

Graisseur de garniture

D IRA 168 A

Graisseur et robinet d’isolement

Butée haute

Butée basse

Butées de fin de course sur la tige de servo-moteur 00596_I_F

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D 6 -4/A

38

D IRA 170 A

D IRA 169 B

Longueur à la demande

Détail en coupe

Vue extérieure

D IRA 169 A

Chapeau à extension

Chapeau avec soufflet d’étanchéité

00596_I_F

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