On pense que le volume du marché des équipements sous pression utilisés dans de nombreuses industries différentes se développera avec les nouveaux investissements réalisés dans les années à venir. La plupart des équipements sous pression produits sont fabriqués avec des matériaux métalliques. L’acier est le matériau le plus répandu parmi les métaux utilisés dans la production de chaudière à pression.
Ces dernières années, Les matériaux composites considérés comme une nouvelle alternative. Les équipements sous pression sont des conteneurs supportant des gaz ou des liquides à haute pression, ayant une vaste application dans les industries comprenant le pétrole & le gaz, les produits chimiques et pétrochimiques, les tours de distillation, les réacteurs nucléaires, les systèmes de stockage de gaz naturel et les réservoirs de stockage d’eau chaude.
Qu’est-ce qu’un Equipement sous Pression?
Les équipements sous pression sont des conteneurs étanches déposant un liquide ou un gaz. Les équipements sous pression de diverses tailles et formes ont été produits pour différents objectifs. Généralement, les formes géométriques les plus utilisées sont sphériques, coniques ou cylindriques. Un modèle typique est la combinaison d’un cylindre long avec deux têtes. Les équipements sous pression fonctionnent à des pressions supérieures ou inférieures que la pression atmosphérique. En outre, les températures de fonctionnement de ces systèmes se différencient.
Comment Cela Fonctionne-t-il?
Les équipements sous pression ont été créés pour fonctionner en parvenant la pression nécessaire/requise afin de créer la fonction d’application comme retenir bouteilles d’air plongées. ne peuvent fonctionner qu’une fois que la pression requise à leurs bons fonctionnements a été atteinte, comme retenir de l’air dans la bouteille de plongée. Ils peuvent fournir de la pression soit directement à travers les soupapes et en relâchant les jauges, soit indirectement à l’aide du transfert de chaleur. Les niveaux de pression potentielle varient de 15 psi à environ 150 000 psi, tandis que les températures sont souvent supérieures à 400 ° C (750 ° F). Un réservoir sous pression peut contenir de 75 litres (20 gallons) à plusieurs milliers de litres.
Applications des Équipements sous Pression dans L’industrie
Les Équipements sous pression sont utilisés dans de nombreuses industries différentes, mais 3 industries couvrent la majeure partie du marché. Ces industries sont l’industrie pétrolière & gazière, l’industrie chimique et l’industrie énergétique.
L’industrie Pétrolière et Gazière
Dans l’industrie pétrolière et gazière, un équipement sous pression est souvent utilisé comme récepteur où les processus physiques et chimiques ont lieu à des températures et des pressions élevées. Bien que les colonnes soient utilisées à des objectifs différentes, leur construction est similaire. Les colonnes de distillation sont utilisées pour diviser les flux d’alimentation ou diviser le flux en plusieurs sources en fonction des points d’ébullition de la partie d’alimentation. En général, les équipements sous pression et les colonnes sont achetés chez les mêmes fabricants en raison de leur processus de construction similaire. L’acier au carbone et l’acier inoxydable sont les deux matériaux les plus couramment utilisés pour la construction dans l’industrie pétrolière et gazière. Un équipement sous pression nécessite également d’autres composants en plus du corps externe pour devenir utilisables, tels que l’appareil interne ou les plateaux de distillation. De tels composants sont très complexes et nécessitent des spécifications très différentes de celles nécessaires à la production d’équipements sous pression fournis par des fournisseurs spécialisés.
L’industrie Chimique
Il s’agit d’un équipement sous pression dans lequel un processus (de réactions chimiques) est réalisé, ce qui entraîne un changement fondamental dans le contenu du conteneur. Il peut s’agir de processus tels que la combinaison d’un ou plusieurs produits afin d’en créer un nouveau, ou encore la division d’un produit en plusieurs produits différents, la suppression partielle ou totale d’un produit existant afin d’en créer un autre. De plus, de nombreux types d’équipements sous pression différents peuvent être utilisés simultanément dans l’industrie chimique.
L’industrie Energétique
Il existe de nombreuses raisons différentes pour lesquelles le secteur de l’énergie a globalement besoin d’équipements sous pression. L’une des principales raisons est la nécessité de contenir les gaz nocifs dans le secteur de l’énergie. Souvent dans des emplacements tels que les raffineries aussi bien que les excédentaires de la métallurgie. Le gaz a besoin d’être stocké. En outre, les centrales nucléaires utilisent des appareils/équipements sous pression spéciaux appelés “Reactor Pressure Vessels (RPVs)”(Les réacteurs des équipements sous pression.). Les RPV sont de larges appareils cylindriques en acier contenant une carotte (un noyau), de l’eau de refroidissement et de la vapeur générée, qui nécessitent une grande résistance pour résister à des températures et des pressions élevées et à l’irradiation neutronique ce qui fait du RPV la limite de pression la plus critique dans la centrale nucléaire. Mais n’oubliez pas que tous les réacteurs de puissance n’ont pas d’équipement sous pression.
Types d’équipement sous Pression
Cuve (réservoir) de Process: Les cuves (réservoirs) de process sont conçues pour contenir, stocker des fluides et sont utilisées pour une opération intégrée dans les installations pétrochimiques, les raffineries, les installations de production de pétrole et de gaz, et d’autres installations.
Autoclaves: Les autoclaves sont de grands récipients qui sont pressurisés et portés à haute température. Ils sont généralement cylindriques, car leur forme arrondie est mieux à même de résister en toute sécurité à des pressions élevées. Les autoclaves sont conçus pour contenir des articles qui sont placés à l’intérieur, puis le couvercle est scellé.
Réservoirs à haute pression: Ce sont les récipients les plus durables du marché, capables de fonctionner sous les charges les plus lourdes et qui offrent la meilleure résistance à la corrosion, à la température et à la pression. Les réservoirs (récipients) à haute pression sont généralement en acier inoxydable.
Fonctions typiques des récipients à haute pression: mélange à grande vitesse, réacteurs chimiques et systèmes d’extraction supercritiques.
Vase d’expansion: Les vases d’expansion sont conçus pour s’adapter aux changements de la quantité d’eau chaude dans les systèmes de chauffage et aux changements de débit d’eau, et pour maintenir la pression statique produite par la pompe au niveau d’utilisation dans les systèmes d’eau chaude sanitaire.
Echangeurs de chaleur: Un échangeur de chaleur est un dispositif qui transfère la chaleur d’un milieu à un autre ; c’est l’échangeur de chaleur le plus couramment utilisé dans les installations industrielles telles que la sidérurgie, le pétrole, la pétrochimie, le gaz, les centrales électriques, l’alimentation, les produits pharmaceutiques, le cuir, les textiles, la climatisation, les navires et les industries maritimes.
Réservoirs d’eau sous pression: Dans un système de puits d’eau, le réservoir sous pression produit une pression d’eau en utilisant de l’air comprimé pour forcer l’eau. En raison de cette pression, l’eau est expulsée du réservoir par les tuyaux à l’intérieur de votre maison lorsqu’une vanne est ouverte.
Réservoirs à vide: Un réservoir à vide fait partie d’un système qui filtre l’air ou les fluides par aspiration, dégazage, pompage ou une combinaison de techniques. Les réservoirs à vide utilisent la pression pour prévenir la contamination, purifier, déshydrater et même alimenter en énergie.
ASME Equipement sous pression: Ils sont également connus sous le nom de ASME chaudières, c’est-à-dire les réservoirs sous pression avec un cachet ASME. Le cachet ASME indique que le réservoir a été inspecté et répond aux normes strictes du code ASME VIII. De plus, le cachet ASME offre aux utilisateurs finaux des informations sur ASME chaudière et son fabricant.
Enveloppe mince sous pression: Un réservoir dont la paroi a une épaisseur bien inférieure à la taille totale du réservoir et qui est soumis à une pression interne bien supérieure à la pression de l’air extérieur.
Chaudières: Ce sont des réservoirs sous pression fermés utilisés pour chauffer des fluides, principalement de l’eau. Ces fluides chauffés sont utilisés pour la cuisine, la production d’électricité, le chauffage central, le chauffage de l’eau et l’assainissement.
La Production des Equipement sous Pression
La Conception
Scientifiquement, la question de la réduction de la déformation a une simple solution géométrique: une sphère. Mais à ce point, la solution d’ingénierie n’est pas aussi simple. Les équipements sous pression sphériques sont incroyablement difficiles à construire. Bien que la NASA puisse choisir de construire proprement des réservoirs en fibre de carbone cryogéniques parfaitement sphériques, la plupart des applications nécessitent une solution plus simple et plus réaliste. La forme la plus utilisée est une configuration d’un long cylindre à deux têtes. L’appareil sous pression cylindrique en acier répond aux exigences de diverses applications d’équipements sous pression. Ces appareils sont minutieusement conçus pour favoriser la facilité de production en conservant une géométrie robuste et résiliente.
La section centrale cylindrique peut être facilement construite à partir d’une pièce en acier rectangulaire, en absence de bords perpendiculaires, offre une meilleure répartition de la tension. Alors que les têtes hémisphériques offrent une meilleure répartition de la pression, des têtes superficielles (peu profondes) sont souvent utilisées à leur place. Des têtes superficielles connues sous le nom de têtes “bombées” ou plutôt “la coupelle” dans le secteur. Elles représentent un équilibre important entre la minimisation des contraintes et la fabricabilité. Ces têtes sont plus faciles à former. Elles peuvent devenir plus plein et atteindre à la même résistance à la pression. En général, les têtes bombées ont une forme de l’une de ces deux géométries: semi-élipsoïdale ou torisphérique. Les têtes torisphériques sont constituées d’une plaque (une cuvette) à rayon fixe qui se connecte au cylindre avec un joint torique. Les têtes torisphériques sont la forme la plus courante de l’équipement sous pression grâce à leur relative de la facilité de production, trouvant une utilisation dans les chambres de recompressions, les tours de distillation, les usines pétrochimiques et une variété d’utilisations de stockage.
Les têtes semi-elliptiques sont un autre choix utilisé régulièrement. Celles-ci sont plus profondes, plus sphériques et durables qu’une tête torisphérique. C’est pourquoi elles sont plus coûteuses à construire, mais peuvent manier des applications plus difficiles que les têtes torisphériques. Les têtes semi-elliptiques conviennent mieux aux applications avec une pression légèrement plus élevée où la longueur totale du cylindre est toujours importante. Les épaisseurs déterminées par les équations pertinentes en principe sont minimales, auxquelles il convient d’ajouter diverses tolérances qui doivent être appliquées, y compris les tolérances de corrosion et d’érosion, les tolérances d’approvisionnement en matériaux et tout amincissement de fabrication.
Sélection des Matériaux
Le spectre des matériaux utilisés dans les appareils sous pression est vaste et comprend celles-ci:
- L’acier au carbone (avec moins de 0,25% de carbone)
- L’acier au carbone-manganèse (donnant une résistance plus élevée que l’acier au carbone)
- L’acier faiblement allié
- L’acier fortement allié
- L’acier austénitique inoxydable
- Les matériaux non-ferreux (aluminium, cuivre, nickel et alliages)
- Des Matériaux des Boulons Haute Résistance
Afin de se conformer aux normes de production, les propriétés des matériaux suivants doivent être connues dans les matériaux sélectionnés. Les conceptions réalisées, sans connaître ces caractéristiques, sont très probables d’avoir des problèmes lors d’une utilisation prolongée. Par conséquent, on doit choisir des matériaux avec une grande attention.
- Allongement et réduction de la zone à la rupture
- Résistance à l’entaille
- Vieillissement et fragilisation sous conditions de fonctionnement
- La résistance à la fatigue
- La disponibilité
Les contraintes de conception sont ajustées à l’aide de facteurs de sécurité appliqués aux propriétés des matériaux, notamment:
- La limite d’élasticité à la température de conception
- La résistance à la traction ultime à température ambiante
- La résistance à la traction ultime à température ambiante
Les soudeurs et les fabricants doivent garder à l’esprit les points suivants pour garantir que leurs équipements sous pression remplissent toutes les exigences des applications industrielles:
- La corrosion
- Le poids et le contenu d’appareil
- Les températures ambiantes et opérationnelles
- Les pressions statiques et dynamiques
- Les contraintes résiduelles et thermiques
- Les forces de réaction
Étapes de la Fabrication d’un Equipement sous Pression
Avant de commencer à construire, le fabricant est souvent tenu de soumettre des plans entièrement dimensionnés de l’enveloppe et des composants du réservoir principal sous pression pour approbation par l’acheteur et l’autorité de contrôle. En plus, de montrer les dimensions et les épaisseurs, ces dessins comprennent les informations suivantes:
- Les conditions de conception.
- Les procédures de soudage à appliquer
- Détails des soudures
- Procédures de traitement thermique à appliquer
- Exigences en matière de tests non destructifs
- Tester les pressions
Le fabricant est généralement tenu de maintenir un système positif d’identification des matériaux utilisés dans la construction, afin que tous les matériaux de l’équipement sous pression terminé puissent être retracés jusqu’à leur origine. La création de plaques en rouleaux ou en fonds bombés (coupelle)(selon le matériau, l’épaisseur et les dimensions finies est un processus à chaud ou à froid. La norme réglemente les tolérances de montage admissibles. Ces tolérances limitent les contraintes causées par l’arrondi et le désalignement du joint.
Fabrication de Têtes Bombées (les Coupelles) en Acier
La fabrication des têtes bombés (les coupelles) en métal comporte deux étapes principales. Tout d’abord, le métal est découpé à l’épaisseur et à la forme correctes à l’aide de machines de découpe au plasma ou de cisailles circulaires industrielles qui sont généralement guidées par ordinateur. Une fois coupé en forme, le métal est transformé en tête par un procédé de bordage ou de filage. Dans la méthode de filage, le métal est tourné sur un tour hydraulique et pressé sur un outil.
L’outil forme le métal selon la forme de tête souhaitée et permet de produire le rayon de la charnière et le rayon de la cuvette(la coupelle) en une seule fois. Le bridage est un processus en deux étapes modélisé pour accélérer l’assemblage (montage) final du cylindre : L’acier est pressé à froid dans un chapeau façonné, puis formé avec un rouleau de pression afin qu’il présente une bride droite à l’endroit où le cylindre est connecté.
Développement de Réservoirs Composites
Définit 4 types de cylindres composites pour décrire les principes spécifiques de fabrication.
- Type 1 – Métal complet : Cylindre entièrement en métal.
- Type 2 – Cerclage : anneau métallique, recouvert d’un cerclage en fibre de verre. Pour des raisons géométriques, le fond sphérique et la tête d’un cylindre peuvent résister à deux fois la pression de l’enveloppe cylindrique (en supposant une épaisseur de paroi métallique uniforme).
- Type 3 – Entièrement enveloppé, sur un revêtement métallique : Les fibres enveloppées en diagonale rendent la paroi résistante à la pression au niveau du fond et autour du collier métallique. Le revêtement métallique est mince et se trouve à proximité de l’eau du réservoir.
- Type 4 – Un réservoir entièrement en fibre de carbone, avec une isolation en polyamide ou en polyéthylène à l’intérieur du revêtement. Il se caractérise par un poids beaucoup plus faible et une très grande résistance. Le prix de la fibre de carbone est relativement élevé.
- Les cylindres de type 2 et 3 sont apparus vers 1995. Les cylindres de type 4 sont disponibles dans le commerce au moins à partir de 2016.
- Type 2 and 3 cylinders came up around 1995. Type 4 cylinders are commercially available at least from 2016 on.
Les Procédés de Soudage des Equipements sous Pression
Les équipements sous pression sont utilisés pour le stockage et la distribution à haute pression de liquides et de gaz. La soudure des équipements sous pression doit être d’une qualité exceptionnelle pour résister aux conditions de travail. Une bonne préparation de la surface est essentielle pour passer facilement les premières inspections de soudage d’appareils sous pression et pour protéger l’argent précieux dans le procédé. Il est possible que certaines erreurs se produisent pendant le soudage. Ces erreurs sont mentionnées ci-dessous. Il est courant d’utiliser des tests d’inspection non endommagés pour détecter les imperfections.
La porosité se produit lorsqu’un gaz pénètre dans le bain de soudure en fusion. Lorsque la source se refroidit et se solidifie, le gaz crée des bulles qui apparaissent comme des vides lors de l’inspection. De nombreux problèmes peuvent entraîner une porosité dans une soudure. Il est important de vérifier que les techniques de soudage appropriées sont suivies et que les consommables appropriés sont utilisés.
Les nitrures sont un contaminant très adhérent créé lors du découpage au plasma avec de l’air comprimé ou de l’azote. Ils rendent les bords cassants et créent de la porosité dans certains procédés de soudage, en particulier le soudage à l’arc sous gaz protecteur. Comme les nitrures peuvent exister de 0,005 à 0,010 pouce sous la surface du matériau, il est impossible de les éliminer avec des brosses.
Les inclusions résultent souvent de contaminants de surface qui se mélangent dans le bain de fusion et sont piégés pendant la solidification. Dans les applications de soudure à passes multiples, les scories qui ne sont pas complètement éliminées peuvent être une source d’inclusions. Un nettoyage minutieux à l’aide d’une brosse métallique appropriée avant la soudure et entre les passes est un moyen très efficace d’éliminer ce type de défaut.
L’American Society of Mechanical Engineers (ASME) a établi des règles pour la production des équipements sous pression. Le code de l’ASME Equipements sous pression comprend des détails sur les matériaux, l’assemblage et la sécurité afin de garantir que le procédé de fabrication de l’équipement sous pression répond aux besoins de l’industrie et fonctionnera correctement et sans risque de dommages ou de blessures pour les personnes travaillant à proximité. Les meilleurs travaux de préparation de la soudure et une technique de soudage exceptionnelle sont importants pour la construction d’équipements sous pression sûrs et rentables ainsi que pour la satisfaction de vos clients.
Normes (Standards)
Le code ASME Equipements sous pression (ASME Code) est une norme de premier plan pour les équipements et composants sous pression dans le monde entier et fournit des critères pour la certification des producteurs et l’assurance qualité. Il établit des normes pour la conception, les matériaux, la fabrication, l’inspection, les analyses et le fonctionnement des chaudières et des équipements sous pression (y compris les chaudières de puissance, les chaudières de chauffage, les composants d’installations nucléaires, les réservoirs sous pression en plastique renforcé de fibres et les réservoirs de transport). Dans plus de 100 pays, le code ASME est accepté. L’apposition de la marque de certification ASME sur vos équipements sous pression encourage une plus grande confiance entre vos partenaires commerciaux, les utilisateurs finaux et les autorités.
Respecter les normes et les codes de sécurité : En plus des normes ASME BPVC Section VIII qui régit la conception et la fabrication des équipements sous pression, les utilisateurs d’équipements sous pression doivent adhérer aux normes et codes de sécurité tels que OSHA (Occupational Safety and Health Administration) 1915 Subpart K pour les équipements et conteneurs, API 510 Vessel Code pour la maintenance, la réparation et la modification et API 572 pour l’inspection. Les agences d’inspection autorisées par les juridictions locales régissent et réglementent les inspections et les installations.
Permettre au personnel formé de manier les équipements sous pression : il est essentiel que seul le personnel qualifié soit autorisé à manier(manutentionner) les équipements, en raison du facteur de risque élevé lié à la manutention des équipements sous pression.
Inspection et Analyses
Pendant la construction, chaque équipement sous pression doit être inspecté par l’autorité de contrôle. La norme définit les étapes de la réception des matériaux jusqu’à l’achèvement de l’équipement pour lesquelles l’inspection par cette autorité est obligatoire. Par exemple, le client peut exiger une inspection supplémentaire pour vérifier les éléments internes.
Le fabricant spécifie les procédures de soudure utilisées dans la construction de l’équipement sous pression ainsi que les éprouvettes qui sont indicatives des matériaux et des épaisseurs utilisés dans l’équipement réel. L’autorité de contrôle doit généralement observer la création et les analyses de ces pièces de contrôle, à moins que des pièces de contrôle préalablement authentifiées ne soient disponibles.
Les soudeurs doivent passer des tests d’agrément destinés à montrer qu’ils sont capables de réaliser des soudures identiques à celles utilisées dans l’équipement réel. Une autorité d’agrément reconnue réaffirme ces autorisations pour les soudeurs.
La norme nationale détermine le niveau de contrôle non destructif appliqué pendant la construction. Habituellement, les tests non destructifs sont l’un ou plusieurs des suivants.
- Le contrôle par particules magnétiques ou par ressuage (pour les défauts de surface de la soudure).
Le ressuage ne détecte que les discontinuités qui se trouvent en surface, tandis que le magnétoscopie détecte non seulement les fissures de surface, mais aussi les imperfections qui sont très proches de la surface.
- Radiographie (pour les défauts internes des soudures).
La radiographie permet de détecter des fissures et des inclusions dans le sous-sol, mais elle est incroyablement coûteuse. Habituellement, seule la radiographie est utilisée pour les soudures critiques, comme dans les centrales nucléaires et les sous-marins.
- Ultrasons (pour les défauts internes des soudures).
Les contrôles par ultrasons permettent de détecter les imperfections de surface et de sous-sol. Ils sont effectués en dirigeant une onde sonore à haute fréquence à travers le métal et la soudure.
Le degré de contrôle non destructif dépend du matériau et de l’épaisseur (c’est-à-dire de la difficulté de la soudure). Certaines normes utilisent une approche de “facteur de joint” qui permet de réduire le nombre de contrôles non destructifs si l’épaisseur prévue est augmentée. Ce facteur commun est choisi et appliqué lors de la phase de conception initiale.
Avant la distribution, la plupart des normes exigent un test de pression en présence de l’autorité d’inspection. Comme elle ne peut pas être comprimée, l’eau est le liquide de test privilégié. Si l’air est le seul liquide à tester possible, des précautions particulières doivent être prises et des consultations avec l’autorité d’inspection et d’autres organismes d’application de la loi concernés sont nécessaires. La contrôle de pression de test est généralement de 1,2 à 1,5 fois la pression de calcul, qui est appliquée progressivement et est maintenue pendant une période de temps déterminée pour démontrer l’adéquation du pot.
Lors de la distribution et de la mise en service, le client accepte la responsabilité d’un service sûr. La législation peut également exiger une inspection périodique pendant la durée de vie de l’équipement et peut nécessiter l’intervention de l’autorité réglementaire pour certains contenus essentiels.
Conclusion
Pour résumer, de nombreux critères sont importants pour choisir la chaudière à pression qui convient le mieux à votre propre procédé. Tout d’abord, toutes les conditions du procédé doivent être bien connues. De cette façon, il est possible de concevoir la chaudière la mieux adaptée au procédé et de choisir le matériau le plus approprié. Toutefois, même si toutes ces étapes se déroulent correctement, il peut être nécessaire de vérifier toutes les étapes de la production par des contrôles non destructifs après la phase de production. Il ne faut pas oublier d’effectuer une maintenance pendant un certain temps après le début de l’utilisation de l’équipement sous pression. Il convient de noter qu’une chaudière à pression fabriquée selon les normes est plus sûre. Les normes reconnues dans de nombreux pays à cet égard ont été établies par l’ASME.
Ingénierie et Approvisionnement de Haute Qualité
YENA Engineering fournit des équipements sous pression avec une vaste gamme de grades et d’épaisseurs de matériaux. Nos installations sont des fabricants certifiés ASME U et S code pour les produits connexes.
YENA Engineering est en mesure de fournir des échangeurs de chaleur pour Shell (enveloppe) et tube (tuyau). Nous sommes heureux de proposer la conception et la fabrication d’échangeurs de chaleur sur mesure.
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