Appareils sous pression: Guide d'étude

Appareils sous pression

• Les appareils sous pression sont définis comme des contenants étanches conçus pour retenir une pression interne ou externe.
• Le contenu du chapitre couvre la définition, la conception, la construction, la réparation, et les codes régissant ces appareils, notamment la Section VIII de l'ASME.
• L'étude porte sur le marquage, les types de soudures et de fonds, la fixation des tubulures, les charges et les tensions.
• Les composantes, raccords, considérations de fonctionnement et d'entretien et les essais hydrostatiques et pneumatiques y seront expliqués, pour la sécurité.

Définition selon le Code ASME

• Les appareils sous pression sont des contenants étanches avec une pression de marche interne ou externe.
• Pour les appareils non soumis à l'action des flammes, la pression de calcul est comprise entre 103 kPa et 20 685 kPa sans source de chaleur intégrée.

Formes courantes

• Généralement, les appareils se présentent sous des formes sphériques ou cylindriques.
• L'installation de ces appareils se fait verticalement ou horizontalement, selon leur rôle dans le processus industriel.

Types d'appareils

• Les tours de fractionnement, de traitement et les séparateurs verticaux sont des appareils verticaux.
• Les appareils horizontaux comprennent les séparateurs, les accumulateurs et les appareils sous pression qui produisent de la vapeur.

Responsabilité du fabricant

• Le fabricant doit réaliser les calculs de conception et les mettre à disposition des inspecteurs, de l'autorité compétente et du propriétaire.
• Les calculs doivent démontrer la conformité aux normes applicables.

Revue de conception

• Au Canada, la norme CSA B51 exige une revue de conception par l'autorité compétente avant la construction.
• Cette revue est généralement effectuée par une équipe de conception spécialisée.

Responsabilité du propriétaire

• Selon la réglementation provinciale, le propriétaire doit s'assurer qu'un inspecteur de l'autorité compétente inspecte l'équipement avant sa mise en service et de façon régulière par la suite.

Inspection multiple

• La construction d'un équipement sous pression est vérifiée par au moins deux parties ayant différents intérêts : autorité compétente, client et groupe de contrôle de la qualité du fabricant.

Rôles distincts

• Le représentant de l'autorité compétente vérifie la conformité au Code.
• L'inspecteur du client s'assure que les exigences du contrat sont respectées.
• Le groupe de contrôle de la qualité du fabricant veille à ce que l'équipement réponde aux exigences du Code et aux spécifications du client.

Points d'inspection

• L'inspecteur contrôle, à différents stades de la construction, l'ajustage, les soudures, l'ovalisation de l'enveloppe, les tailles des tubulures et les accessoires.
• Un point d'arrêt est généralement prévu pour une inspection interne.

Inspection progressive

• Une inspection externe est effectuée progressivement durant la construction.
• Une inspection finale est nécessaire pour assurer la conformité complète de l'appareil.

Détection des défauts

• Si l'inspection révèle une soudure incomplète ou un caniveau externe, les réparations doivent être effectuées rapidement.
• Faire les réparations est idéal avant l'essai hydrostatique ou le traitement thermique.

Conséquences des réparations tardives

• Les réparations additionnelles peuvent nécessiter de répéter l'essai hydrostatique ou le traitement thermique, augmentant ainsi les coûts de fabrication et retardant la livraison.

Norme CSA B-51

• Au Canada, la conformité au Code CSA B-51 est exigée pour les chaudières, les appareils et la tuyauterie sous pression.
• Cette norme traite des exigences spécifiques au Canada et prévaut sur le Code ASME en cas de conflit.

Autorité compétente

• L'autorité compétente prescrit par la loi les codes et normes à respecter lors de la fabrication de l'équipement.
• Au Canada, aux États-Unis et dans d'autres pays, le Code ASME représente les exigences de construction.

Certification ASME

• Un fabricant appareils sous pression peut faire vérifier et approuver son programme de contrôle qualité par l'ASME.
• Ceci permet d'apposer le symbole du Code ASME sur la plaque signalétique de l'appareil.
• Seule la certification ASME avec contrôle de qualité approuvé permet de marquer un appareil sous pression avec un symbole officiel.

Exigences minimales

• Le Code ASME, Section VIII, Division I fixe les exigences minimales pour une conception et une construction sécuritaires des appareils sous pression.

Portée du code

• La Section VIII, Division I s'adresse à un large éventail d'industries.
• Elle fournit des règles uniformes élaborées par consensus pour standardiser les pratiques de fabrication.

Focus sur la sécurité

• Cette section traite généralement des exigences d'application et de conception afin de garantir l'intégrité structurelle.
• Cela a considérablement réduit les accidents liés à la surpression, à la mauvaise conception et à la construction.

Processus de marquage

• Après la construction, le fabricant place une plaque signalétique et remplit le rapport de données de l'appareil.
• L'inspecteur de l'autorité compétente signe ensuite le rapport et peut apposer un numéro d'identification provincial sur l'appareil.

Symboles officiels

• Le symbole «U» du Code ne peut être apposé que sur les appareils inspectés un inspecteur autorisé.
• Le symbole «UM» est réservé aux appareils construits selon les normes de l'American Society of Mechanical Engineers.
• Le rôle du symbole « U » sur un appareil sous pression est d'indiquer l'origine du fabricant.

Conditions d'utilisation

• Le fabricant ne peut utiliser le symbole du Code que si un certificat d'autorisation valide a été délivré par l'ASME et que l'inspecteur a approuvé l'appareil suite à l'inspection.

Informations requises

• Selon ASME Section VIII, Division 1, UG-116, la plaque signalétique doit indiquer le symbole officiel du Code, le nom du fabricant, la pression maximale de travail ou de calcul, l'année de construction et le type de construction.
• La plaque signalétique d'un appareil sous pression sert à indiquer les spécifications essentielles comme la pression de marche.

Fixation permanente

• La plaque signalétique doit être fixée de façon permanente sur l'appareil, généralement par soudage, brasage ou des attaches mécaniques métalliques appropriées pour garantir la durabilité.

Emplacement

Comme indiqué dans ASME section VIII, division 1, UG-119, la plaque doit être placée bien en vue sur l'appareil, de préférence près d'un trou d'homme ou d'un trou de doigt, pour faciliter l'inspection.

Qualification des soudeurs

• La conception, la fabrication et l'assemblage doivent suivre le Code ASME.
• Le soudage doit être effectué par des soudeurs qualifiés, selon une procédure agréée.

Types de joints

• Le Code ASME, Section VIII, Division I décrit les types de joints utilisés dans les appareils sous pression.
• Ces joints doivent respecter les exigences du Code Partie UW pour garantir l'intégrité structurale.

Emplacements des joints

• Les joints sont classés selon l'emplacement: joints longitudinaux (A), joints circonférentiels (B), joints bridés soudés (C) et joints de tubulure (D).
• Chaque type a des spécifications de conception d'inspection spécifiques.

Fond ellipsoïdal

• Le fond ellipsoïdal a une forme d'ellipse qui équilibre la résistance à la pression et la facilité de fabrication.
• Son utilisation est courante dans les appareils sous pression industriels.
• Le fond hémisphérique offre la meilleure résistance à la pression.

Fonds torisphériques

• Le fond torisphérique combine une partie sphérique centrale et une transition torique pour un bon compromis coût-efficace.
• Cet élément est populaire en raison de sa facilité de fabrication.

Fond hémisphérique

• Le fond hémisphérique, parfaitement semi-circulaire, offre la meilleure résistance à la pression.
• Il est plus coûteux à fabriquer et est plutôt employé pour les appareils à haute pression.

Méthodes de fixation des tubulures

• Le Code ASME, Section VIII, Division I, UW-15 et UW-16 régissent les raccordements soudés.
• Les méthodes assurent l'intégrité structurelle à ces points cruciaux de l'ouverture.
• Les méthodes de fixation des tubulures comprennent le soudage direct, les brides ou les renforts, en fonction des exigences spécifiques.
• La principale fonction des tubulures sur un appareil sous pression est de permettre la connexion avec d'autres équipements.

Charges combinées

• Les charges externes s'ajoutent aux tensions causées par la pression interne.
• La pression interne est à considérer.

Méthodes de renforcement

• Les méthodes de renforcement comprennent les semelles, l'excès d'épaisseur, le métal de soudure et les plaques renforcées.
• Une méthode utilisée pour renforcer les ouvertures sur les appareils sous pression est le remplacement de la superficie enlevée par un matériau de même résistance.

Matériaux de renforcement

• Les matériaux utilisés doivent avoir une résistance égale ou supérieure au matériau de base.

Causes des charges

• Les charges causées par la tuyauterie et l'équipement fixe sont transférées à l'appareil pressurisé par le biais de la tubulure.
• Le renforcement nécessaire pour supporter la pression, le vent, les charges telluriques et le poids.
• Le matériau doit avoir une limite d'élasticité identique ou supérieure à celle de l'appareil.

Principe du remplacement de superficie

• L'ASME utilise cette mesure pour déterminer l'épaisseur du renforcement.
• L'enlèvement d'une surface dans la paroi de l'appareil doit être compensé en ajoutant la même quantité de matériau de renforcement à proximité.

Zones de renforcement

• Pour une efficacité optimale, il est recommandé de placer 66 % du matériel de renforcement près de l'ouverture.
• Placer le matériel autour de l'ouverture permet de traiter les contraintes au bord du trou.

Considérations importantes

• La prudence est de mise afin de ne pas ajouter trop de matériau, engendrant ainsi une zone rigide qui pourrait mener à de plus grandes contraintes localisées.
• Tous les fil connectant doivent être arrondis pour prévenir de fortes contraintes.

Exigences du Code

• Le Code ASME, Section VIII, Division I, UG-36 à UG-46 traite des ouvertures.
• Les règles sont basées sur l'intensification des contraintes causées par un trou.

Conception des ouvertures

• Les ouvertures doivent réduire les concentrations de contraintes, tout en offrant un accès facile pour l'inspection.
• Le renforcement est essentiel pour protéger la structure de l'appareil.
• Le rôle des ouvertures sur les appareils sous pression est de permettre l'accès pour inspection et maintenance.

Emplacement stratégique

• Un bon positionnement facilite l'accès aux zones critiques.
• Éviter les endroits où la contrainte serait élevée.

Trous d'homme

• Les trous d'homme permettent un accès aisé des appareils pour fins d'inspection et d'entretien.
• Le Code ASME précise des dimensions minimales : 305mm x 406mm pour les formes elliptiques et 406mm pour les circulaires.

Trous de poing

• Les trous de poing facilitent l'accès aux petits équipements, comme les collecteurs et les équipements périphériques.
• Ces dispositifs ne mesurent pas moins de 51mm x 76mm et des dispositifs plus grands sont préférés pour leur polyvalence.

Couvercles

• Les couvercles des trous d'homme et de poing sont normalement faits d'acier traité pour assurer une surface étanche.
• Ces surfaces sont fixées à l'aide d'une garniture entre la section principale et les boulons qui les retiennent.

Pression interne

• La pression de service est nécessaire au procédé pour lequel l'appareil est conçu.
• La pression interne demeure la force principale à considérer.

Charges thermiques

• Les variations de température créent des contraintes qui altèrent l'intégrité structurelle de l'appareil.
• L'effet est prononcé pendant des cycles répétitifs.

Charges de fixation

• Les charges des tuyaux et de l'équipement fixé à l'objet exercent des contraintes ou des problèmes supplémentaires.

Charges statiques

• Le poids de l'appareil, de son contenu et des accessoires créent des charges statiques qui doivent être considérées.

Charges externes

• Le vent, les séismes et les charges cycliques ont des conséquences significatives.

Pression de service

• La pression normale est déterminée par le processus de fabrication.

Pression de calcul

• Il s'agit d'une pression supérieure à la pression de fonctionnement minimale, à partir de laquelle on peut déterminer les seuils minimaux.

Pression d'épreuve

• La pression d'essai est calculée à 1,5 fois la pression, au minimum
• Elle est utilisée lors des tests hydrostatiques.

Température de calcul

• Elle comprend, à la fois, un facteur de sûreté ainsi qu'une estimation de facteurs connus (prévision de la température de fonctionnement).

Contraintes thermiques

• Les contraintes causés par des facteurs qui entravent la dilatation ou la contraction.
• Ces contraintes se traduisent habituellement par des cassures par fatigue en raison de cycles répétitifs.

Comportement des matériaux

• La résistance de l'acier au carbone diminue lorsque la température s'élève.
• Inversement, l'acier a tendance à devenir plus fragile lorsque la température s'abaisse.
• L'acier au carbone est généralement utilisé pour la construction des appareils sous pression.

Transfert de charges

• Les charges causées par la tubulure et l'équipement fixé à l'appareil sont transférées par la tubulure.

Risques potentiels

• Les charges combinées peuvent entraîner une rupture prématurée.
• Une analyse d'exploitation approfondie peut permettre de résoudre ces problèmes.

Conception adaptée

• Une fabrication adaptée doit inclure des renforts adéquats aux points de fixation.
• Cela aide à distribuer les charges et prévenir les concentrations de contraintes qui pourraient se produire.

Charge statique de montage

• Le poids de l'appareil lorsqu'il est manipulé à l'usine, comprenant ou non des pièces détachées.

Charge statique de service

• Inclus dans ces calculs, le poids de l'appareil, de son revêtement, les composantes structurelles, etc.

Charge statique d'essai hydrostatique

• Ce qui distingue cette charge des autres types de charges statiques est le poids de l'eau, qui a pour effet de rendre cette mesure plus importante.
• Ces charges doivent être considérés, puisque le poids cumulatif pourrait avoir des effets sur les contraintes.
• La conception d'un appareil sous pression prend en compte les charges statiques et les charges dues aux tremblements de terre.

Considérations de conception

• Selon le Code ASME, Section VIII, Division 1, UG-22, le concepteur doit tenir compte de l'emplacement géographique, de la vitesse maximale du vent, la forme de l'infrastructure, entre autres.
• L'humidité ambiante influence le plus la conception d'un appareil sous pression en extérieur.

Facteurs d'influence

• La hauteur et les divers seuils des facteurs de vent doivent être considérés.
• L'isolation, les structures, plates-formes et tuyaux contribuent à la zone de surface soumise au vent.

Analyse structurelle

• Les objets devant supporter les charges de vent sont traités comme un porte-à-faux, qui, par ricochet, a un effet sur l'effort de flexion.
• Les structures en hauteur et étroites y sont plus prédisposées.

Exigences du Code

• Le Code ASME, Section VIII, Division 1, UG-22 dicte que les charges sismiques doivent être considérées pour les structures à risque.

Analyse des risques

• Évaluer les cartes qui illustrent les zones à risque, puisqu'elles démontrent la probabilité que surviennent des tremblements de terre.
• L'intensité, la durée et l'accélération sont des facteurs cruciaux.

Supports et ancrages

• Sélectionner le support adéquat est crucial pour assurer la résistance sismique.
• Les appareils verticaux, munis de jupes d'ancrage, aident à assurer une certaine stabilité lorsque survient un tremblement de terre.

Définition

• Les chargements cycliques sont causés par les variations thermiques ou de pression, les chargements mécaniques ou un élément qui modifie la composition de l'appareil.

Accumulation des dommages

• Les charges cycliques sont cumulatives et peuvent mener à une rupture de fatigue.

Fatigue des matériaux

• La fatigue du métal peut engendrer des ruptures lorsque les cycles de tension causent des charges inférieures au strict minimum.
• La principale conséquence d'un chargement cyclique répété est la rupture par fatigue du matériau.

Facteurs d'influence

• Lors d'une rupture de fatigue, il faut considérer la limite d'endurance du matériau, le nombre de cycles ainsi que d'autres facteurs potentiels.

Éléments constitutifs de l'appareil sous pression

• Composants qui sont illustrés dans les dessins d'ingénierie du Code AWSME.
• Un séparateur horizontal comprend une vanne de régulation de débit d'entrée, soupapes de sûreté, un manomètre, un indicateur de température, etc.
• Ces composantes assurent la sécurité de l'appareil, en contrôlant des paramètres tels que la pression, la température et le niveau de liquide.

Conception inadéquate

• Une mauvaise conception met en péril la structure de l'équipement.
• Des vulnérabilités structurelles ou fonctionnelles mènent à des défaillances catastrophiques.

Problèmes d'entretien

• Peu d'entretien, absence d'inspections régulières ou absence de maintenance préventive accroit le risque qu'une dégradation ou qu'une composante critique ne soit pas détectée.

Facteurs humains

• Les charges de travail, la formation et la supervision inadéquate ou les erreurs de l'opérateur et les révisions aux systèmes peuvent mener à divers problèmes.

Installation incorrecte

• Une mise en place inadéquate entrave l'intégrité de l'objet.
• Ceci mène à des défaillances futures.

Formation des opérateurs

• Il faut s'assurer que chaque opérateur est formé afin de bien comprendre son emploi, le rendement de l'équipement ainsi que les codes de conduite.

Connaissance des conditions

• Les personnes qui opèrent les appareils doivent, à tout le moins, connaître les fluides, les niveaux de pression et les limites de l'équipement.

Procédures d'urgence

• Avoir des instructions claires de la marche à suivre lors de situations d'urgence.
• Mises en place des mesures rapidement.

Programme d'entretien

• Une maintenance adéquate est d'assurer une longue fonction de vie des appareils.
• Un programme doit être en place afin de bien tenir compte la durée de vie de l'article et les facteurs d'influence, tel son environnement.

Contrôle de qualité

• Mesurer l'usure du métal ou les signes de corrosion, l'état de l'isolation, etc.

Dispositifs de protection

• Tout appareil doit être intégré de composantes de protection qui déclenche un signal d'alarme lorsque la pression, la température ou le niveau d'eau dépassent les normes préétablies.

Objectifs des essais

• La loi prévoit de soumettre les appareils à un essai sous pression pour en vérifier la conformité.
• L'objectif principal des essais hydrostatiques est de vérifier que l'appareil peut supporter la pression de conception sans fuite.

Applications

• Des tests doivent être effectués sur ceux qui démontrent des signes de corrosion ou de fissure.
• Ces méthodes assurent la validité de l'appareil lorsqu'il est soumis aux facteurs de son environnement.

Méthodes d'essai

• Les tests hydrostatiques, utilisant généralement de l'eau, et les tests pneumatiques, utilisant un gaz comprimé (les deux étant utilisées fréquemment).
• L'essai pneumatique est plus risqué en raison de l'énergie emmagasinée.

Préparation des nouveaux appareils

• Tous les branchements des nouveaux appareils doivent être couverts de brides et de bouchons pleine grandeur.
• Installer un robinet-vanne à son point le plus bas pour la vidange et un autre au plus haut point.

Préparation des appareils en service

• Pour un appareil déjà en service, il sera de mise qu'un préparatif plus complexe soit entrepris.
• S'il y a des matières toxiques utilisées, ces items doivent être nettoyés et purgés puis, isolés des autres objets.

Considérations structurelles

• Puisque les supports des grands appareils doivent être adéquats, ils doivent notamment être dimensionnés pour supporter d'importantes quantités d'eau.

Risques des essais hydrostatiques

• Puisque certains gaz peuvent être comprimés dans les liquides, des pièces peuvent être éjectées à forte vitesse.

Essai pneumatique

• L'essai consiste à utiliser un gaz comprimé pour trouver les fuites, étant utilisé de préférence dans les environnements où l'eau peut causer des risques ou problèmes.

Précautions spécifiques

• L'essai pneumatique comporte des risques, étant donné que l'explosion d'un gaz comprimé à la capacité de projeter des débris.
• Il est ainsi primordial d'évacuer la zone où se déroulera les essais et de s'assurer de respecter toutes les normes de sécurité.