Le guide complet des réservoirs sous pression

Qu’est-ce qu’un appareil à pression ?

Les appareils à pression sont des récipients conçus pour contenir des fluides ou des gaz à haute pression. On les trouve dans divers environnements, des chaudières industrielles aux bouteilles de plongée. Les appareils à pression sont très réglementés et doivent répondre à des normes de sécurité strictes afin de pouvoir résister aux pressions extrêmes auxquelles ils sont soumis.

Outre l’acier, un réservoir sous pression peut également être fabriqué en aluminium ou en matériaux composites. Les récipients sous pression peuvent être de forme sphérique ou cylindrique et leur taille varie de celle de petits réservoirs qu’une personne peut transporter à celle d’énormes récipients industriels hauts de plusieurs étages. Quelle que soit leur taille ou leur forme, tous les appareils à pression ont un objectif commun : contenir en toute sécurité leur contenu à des pressions élevées.

Quelles sont les différentes normes relatives aux appareils à pression ?

Plusieurs normes et réglementations régissent chaque partie des appareils à pression. Toutefois, le code des chaudières et appareils à pression (BPVC) de l’American Society of Mechanical Engineers (ASME) est une norme largement acceptée.

Dans le cadre de ses responsabilités, le département conçoit, construit, installe, teste, inspecte et certifie les chaudières, les appareils à pression et les composants des centrales nucléaires. La section VIII de l’ASME BPVC régit les appareils à pression. Elle compte trois divisions :

Division I

Elle englobe tous les récipients sous pression conçus pour fonctionner à une pression interne ou externe pouvant dépasser 15 psig. Il est possible d’utiliser un récipient cuit ou non cuit et d’obtenir la pression par une source externe ou un chauffage indirect. Les ingénieurs adaptent l’approche de la conception par règle. La division I est basée sur la théorie des contraintes normales.

Division II

Cette section couvre tous les récipients sous pression destinés à fonctionner avec des pressions internes ou externes allant jusqu’à 10 000 livres par pouce carré. Les exigences relatives aux matériaux, à la conception et au contrôle non destructif sont plus strictes dans la division II que dans la division I. Cela signifie que les calculs requis sont plus détaillés.

Les ingénieurs de cette division utilisent la conception par analyse pour soumettre les récipients sous pression à des niveaux de contrainte plus élevés. Contrairement à la division I, elle est basée sur la théorie de l’énergie de distorsion maximale.

Division III

Elle identifie les récipients sous pression requis et non autorisés pour une utilisation supérieure à 10 000 livres par pouce carré.

Une autre norme qui préserve l’intégrité des appareils à pression est l’API 510 Pressure Vessel Inspection Code for In-Service Inspection, Rating, Repair, and Alteration (code d’inspection des appareils à pression pour l’inspection en service, l’évaluation, la réparation et l’altération).

Types d’appareils à pression

Il existe différents types d’appareils à pression en fonction de leur forme ou de leur fonction. Les types de récipients sous pression sont les suivants :

Types d’appareils à pression en fonction de leur fonction

Navires de stockage

Les cuves de stockage sont des récipients sous pression qui contiennent des liquides, des vapeurs et des gaz. Il est possible de réutiliser les cuves pour des processus futurs ou pour stocker des produits finis tels que le gaz naturel comprimé (GNC) et l’azote liquide.

Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur permettent de transférer la chaleur entre deux ou plusieurs fluides. Les industries des bioprocédés, de l’alimentation, de la pharmacie et de l’énergie les utilisent le plus souvent. L’équipement des échangeurs de chaleur est conçu en fonction des propriétés thermiques et d’écoulement des fluides impliqués dans l’échange de chaleur et en fonction des propriétés thermiques de la cloison conductrice (pour les échangeurs de chaleur à contact indirect). Les matériaux des échangeurs de chaleur sont sollicités par la différence de température entre les fluides chauds et froids et par leur pression interne.

Chaudières

Les chaudières sont des machines qui utilisent différents types d’énergie pour créer de la chaleur. Les liquides sont ensuite transformés en vapeur grâce à cette chaleur. Une chaudière est généralement composée de récipients métalliques qui transfèrent la chaleur d’une source à un fluide. La vapeur provenant de la chaudière est utilisée à diverses fins. La chaudière accélère la vapeur pour qu’elle puisse faire tourner les pales de la turbine. La chaudière doit être solide pour supporter toute la pression et la chaleur. La plupart des matériaux deviennent plus fragiles lorsqu’ils sont plus chauds.

Navires de traitement

Les cuves de traitement sont de grands récipients dans lesquels se déroulent des processus industriels, tels que le mélange et l’agitation, la décantation, la distillation et la séparation de produits chimiques, ainsi que des réactions chimiques. La pression à l’intérieur d’une cuve de traitement varie en fonction du processus et des substances utilisées.

Types d’appareils à pression selon leur géométrie

Réservoirs sous pression sphériques

Les récipients sous pression sphériques conviennent pour contenir des liquides soumis à une forte pression. Ils sont robustes et ne se cassent pas facilement, mais leur fabrication est difficile et coûteuse. La pression est répartie uniformément sur la sphère, de sorte qu’il n’y a pas de points faibles. Les sphères ne prennent pas autant de place que les autres formes. À taille égale, les récipients sphériques utiliseront moins de matériau que les récipients cylindriques. Les récipients sphériques sont également moins susceptibles de transférer la chaleur que les autres formes en raison de leur plus petite surface.

Réservoirs sous pression cylindriques

Les récipients sous pression cylindriques sont constitués d’une coque cylindrique et d’une ou plusieurs têtes. La coque cylindrique est le corps principal de l’appareil à pression. Les têtes sont comme des embouts qui recouvrent le contenu du récipient et peuvent avoir un profil plus plat ou plus arrondi. Il réduit la faiblesse du conteneur cylindrique.

Les récipients sous pression cylindriques sont parmi les plus populaires en raison de leurs nombreuses applications possibles. Ils sont moins coûteux à produire que les récipients sphériques, mais ils ne sont pas aussi durables. Elle exige donc que les récipients sous pression cylindriques aient des parois plus épaisses qu’un récipient sphérique pour résister à une pression égale.

Quelles sont les différentes orientations des navires ?

Un récipient cylindrique peut avoir un axe horizontal ou vertical en fonction de son utilisation.

Orientation verticale du navire

• Pour les petits espaces

• Pour les navires de petit volume

• Pour un mélange efficace des fluides dans les cuves de mélange

• Lorsque le rapport gaz/liquide est élevé

• Pour faciliter l’élimination des composants lors de la séparation liquide-liquide

Orientation horizontale du navire

• Dans les échangeurs de chaleur pour un nettoyage plus facile

• Dans les bassins de décantation et les tambours de flashage pour réduire l’entraînement.

Quels sont les critères de sélection des matériaux pour les appareils à pression ?

• Peut répondre aux exigences de résistance – Les matériaux utilisés pour fabriquer l’appareil à pression doivent être suffisamment résistants pour durer pendant toute la durée de vie de l’appareil. Il s’agit notamment de résister à des pressions internes et externes spécifiques et à des contraintes structurelles.

• Résistance à la corrosion – Cette caractéristique est essentielle pour les appareils à pression, car ils doivent fonctionner dans des conditions difficiles.

• Retour sur investissement – La durée de vie d’un appareil sous pression doit tenir compte des coûts des matériaux, de la fabrication et de l’entretien.

• Facilité de fabrication et d’entretien – Les tôles doivent pouvoir être usinées et soudées pour former la géométrie des récipients sous pression. Il sera plus facile d’installer les éléments internes de la cuve de cette manière.

• Disponibilité – Les dimensions des matériaux pour appareils à pression doivent être faciles à trouver auprès du fabricant.

Quels sont les matériaux couramment utilisés pour les appareils à pression ?

Les matériaux les plus couramment utilisés pour la construction des appareils à pression sont les suivants :

• Acier au carbone

• Acier inoxydable

• Hastelloy

• Alliages de nickel

• Aluminium

• Titane

Quels sont les différents tests de qualité et l’inspection des appareils à pression ?

Les méthodes d’essai suivantes sont utilisées pour garantir la fiabilité et le facteur de sécurité du réservoir sous pression.

Test visuel

Un inspecteur certifié inspecte les appareils à pression au moins une fois tous les cinq ans. Ils vérifient l’intérieur et l’extérieur du navire pour détecter d’éventuelles fissures, déformations, cloques, fuites de liquide, corrosion ou autres dommages qui auraient pu se produire.

Contrôle par ultrasons

Cet outil utilise des ondes sonores à haute fréquence pour détecter les défauts de surface ou de subsurface et mesurer l’épaisseur de la paroi du réservoir sous pression. Le matériau absorbe les ondes sonores ultrasoniques et les transforme en signal électrique par l’intermédiaire d’un transducteur. S’il y a des défauts, les ondes réfléchies seront perturbées.

Essais radiographiques

Un test radiographique consiste à utiliser des rayons X ou des rayons gamma pour créer une image de ce qui se trouve sous la surface d’un réservoir sous pression. Les discontinuités, les trous et les différences de densité modifient la réflexion des ondes. Le film est ensuite exposé.

Cette méthode produit des résultats cohérents, c’est pourquoi elle est largement utilisée. Cependant, l’exposition aux rayonnements est coûteuse et nécessite une formation spécialisée.

Contrôle des particules magnétiques

La machine utilise le courant magnétique pour détecter les imperfections de surface dans les matériaux ferromagnétiques. L’inspecteur fait passer un courant magnétique dans l’enceinte sous pression entre deux sondes. Si le matériau est exempt de défauts, le flux le traverse sans problème. Mais si des fissures ou d’autres anomalies sont présentes, une partie du flux magnétique s’échappera du matériau autour de ces zones. Ces imperfections seront plus visibles lorsque les particules ferromagnétiques – en suspension liquide ou en poudre – seront appliquées sur l’extérieur de la coque.

Ressuage

Un inspecteur applique une petite quantité de liquide appelé pénétrant sur une zone comportant des soudures ou des plaques susceptibles de présenter des défauts. Une fois que le pénétrant s’est déposé après la pulvérisation, l’excès est essuyé de la surface avant d’appliquer le révélateur, révélant ainsi tout pénétrant qui s’est infiltré dans les fissures.

Essais sous pression

Le code ASME BPV exige des tests de résistance et d’étanchéité. Les essais de pression sont réalisés par des méthodes hydrostatiques ou pneumatiques, la première utilisant l’eau comme fluide, la seconde l’air ou l’azote. Les essais pneumatiques sont plus sûrs car le gaz comprimé contient moins d’énergie que le liquide comprimé. Le processus consiste à éliminer tout l’air à l’intérieur du récipient avant de le remplir de fluide d’essai jusqu’à ce qu’il atteigne 1,5 fois la pression de conception pour les essais hydrostatiques et 1,2 à 1,5 fois la pression de conception pour les essais pneumatiques, en internalisant cette pression, respectivement.