La soupape de sécurité est un dispositif qui a un rôle fondamental dans les installations industrielles. Il se trouve dans chaque installation de chauffage et est responsable de la régulation de la pression à l’intérieur du système. Il prévient les surpressions et assure la protection des équipements et du personnel. Si la pression de la structure s’élève au-dessus de la valeur réglée, la soupape de sûreté s’ouvre de manière automatique afin de l’évacuer, généralement sous forme d’eau. Retrouvez tous nos conseils pour savoir comment bien dimensionner une soupape de sécurité.
Qu’est-ce qu’une soupape de sécurité ?
La soupape de sécurité est d’une importance capitale pour toute installation où la pression de l’eau doit être contrôlée. Afin de bien fonctionner, elle est composée de divers éléments :
- Le corps : structure principale contenant les composants permettant la connexion au système sous pression.
- Le siège et le clapet : le clapet repose sur le siège pour fermer l’office de décharge en fonctionnement normal. Il est destiné à empêcher une inversion du sens de l’écoulement de l’eau.
- Le ressort de tarage : ressort appliquant une force sur le clapet pour maintenir la soupape fermée jusqu’à une pression donnée.
- Le réglage de tarage : système de vis permettant d’ajuster la tension du ressort afin de définir la pression de déclenchement.
- L’orifice de décharge : il permet l’évacuation du fluide lorsque la soupape s’ouvre.
- La chambre de détente : zone où le liquide s’accumule et se détend avant d’être évacué.
- Le dispositif d’étanchéité : il empêche les fuites lorsque la soupape est en position fermée.
Découvrir notre article sur comment vérifier l’étanchéité de sa soupape.
Sa mise en œuvre repose sur l’équilibre entre la pression du fluide et la force exercée par le ressort de tarage. Voici les étapes :
1ère étape : Soupape fermée
- La pression du fluide en amont de la soupape est inférieure à la pression de tarage.
- Le ressort de tarage appuie sur le clapet et maintient la soupape fermée.
2ème étape : Ouverture de la soupape (dépassement de la pression de tarage)
La pression du fluide atteint la valeur de tarage. Elle exerce alors une force supérieure à celle du ressort.
- Le clapet se soulève et ouvre l’orifice de décharge, ce qui permet au fluide de s’échapper.
- La pression contenue dans le système diminue peu à peu.
3ème étape : Fermeture de la soupape (la pression redevient normale)
- La pression descend sous la valeur de tarage. Ainsi, la force exercée par le liquide devient inférieure à celle du ressort.
- Le ressort repousse le clapet sur le siège et la soupape se ferme.
- Le système retrouve un équilibre et une étanchéité.
Il existe plusieurs types de soupapes de sécurité :
- Les soupapes à ressort : ce sont les plus courantes. Le ressort se règle pour déterminer la pression de tarage.
- Les soupapes à levier : le fonctionnement des modèles à levier repose sur l’activation d’un levier qui libère la pression excessive dans un système afin d’éviter tout risque d’explosion ou de dommage du matériel.
- Les soupapes pilotées : elles se composent de deux éléments : la soupape principale qui assure la décharge de la surpression et le pilote qui est une soupape à ressort commandant l’ouverture de la soupape principale.
Comment fonctionne une soupe de sécurité ?
Ces éléments mécaniques sont utilisés dans de nombreuses industries :
- L’industrie agroalimentaire et pharmaceutique.
- L’industrie thermique et nucléaire.
- L’industrie chimique et pétrolière.
- L’industrie aérospatiale.
Pourquoi savoir comment dimensionner une soupape est-il crucial ?
Les soupapes de sûreté protègent tous les composants d’une installation contre un excès de pression. Un organe mal dimensionné peut compromettre la sécurité, entraîner des dysfonctionnements comme des fuites et causer des accidents graves.
Voici les raisons pour lesquelles savoir comment dimensionner une soupape de sécurité est crucial :
- Assurer une évacuation efficace du liquide : pour éviter une montée en pression dangereuse, la soupape de sûreté agit. Si elle est trop petite, elle ne pourra pas relâcher la pression en quantité suffisante et elle peut endommager la structure. Si elle est trop grande, elle peut provoquer des fermetures et des ouvertures trop fréquentes, entraînant une usure prématurée et une perte d’efficacité.
- Respecter les normes de sécurité et les réglementations : certaines lois guident le dimensionnement et la mise en place des soupapes de sûreté. Les normes ASME, API 520, ISO 4126 imposent des critères stricts. Un mauvais calcul peut rendre un équipement non conforme aux réglementations en vigueur, exposant l’entreprise à des sanctions et à des risques opérationnels.
- Prévenir les risques de vibrations : un organe mécanique trop grand peut provoquer une ouverture et une fermeture rapides et répétées, endommageant les équipements environnants. De bonnes mesures permettent d’assurer une ouverture stable et progressive, évitant les vibrations excessives.
- Optimiser la performance des systèmes : des soupapes bien dimensionnées garantissent une protection efficace en minimisant les pertes d’énergie et de liquide.
Les étapes clés pour savoir comment dimensionner une soupape de sécurité
Le dimensionnement d’une soupape est une procédure essentielle pour garantir la protection des équipements sous pression. Voici les étapes clés pour savoir comment dimensionner une soupape de sécurité et s’assurer que la pièce est adaptée :
Collecter les données essentielles
Avant de faire son choix, il est nécessaire de collecter certaines données telles que :
- La pression de service (PS) : il s’agit de la pression normale de fonctionnement du système.
- La pression de service maximale admissible (PSMA) : elle détermine la pression maximale que la structure peut supporter en activité normale.
- La pression de tarage (PT) : il s’agit de la pression à laquelle la soupape commence à s’ouvrir (souvent définie par la réglementation).
- La température et le type du fluide : elle influence la résistance des matériaux et le choix des joints d’étanchéité. On le retrouve sous forme de gaz, de vapeur ou de liquide (les formules de dimensionnement varient).
Déterminer le débit d’évacuation nécessaire
L’écoulement que la soupape doit évacuer dépend des causes possibles de surpression : défaillance d’un régulateur de pression, réaction chimique incontrôlée, panne de systèmes de refroidissement.
Découvrir notre article sur la pressurisation en industrie
Le débit s’exprime en :
- kg/h ou m3/h pour les gaz et vapeurs,
- l/min ou kg/h pour les liquides.
Sélectionner la norme applicable
Voici les 3 principes utilisés :
- API 520 pour les installations pétrochimiques,
- ISO 4126 pour les soupapes de sûreté industrielles,
- ASME pour les équipements sous pression.
Calculer la surface d’orifice nécessaire
Le calcul du diamètre ou de la surface de passage d’une soupape de sûreté dépend du type de fluide et des conditions de pression et de température. Voici les formules utilisées selon les lois internationales (ASME, API, ISO) :
Formule ASME pour un écoulement critique :
Pour les gaz et vapeurs :
A = W . C / K . P
- A = surface minimale de passage (cm2)
- W = débit massique du gaz ou de la vapeur (kg/h)
- C = coefficient de décharge (dépend du type de fluide)
- K = facteur de correction (dépend du rapport de chaleur spécifique)
- P = pression absolue en amont de la soupape (bar abs)
Pour les liquides :
A= Q / K . √(G. ΔP)
- A = surface minimale de passage (cm2)
- Q = débit volumique du liquide (l/min)
- K = coefficient de débit
- G = densité du liquide par rapport à l’eau
- ΔP = différence de pression à travers la soupape (bar)
Sélectionner le type et la taille de la soupape
Il est essentiel de choisir une soupape de sûreté dont les caractéristiques correspondent aux résultats des calculs et qui respecte les principes en vigueur. Il faut également choisir des matériaux compatibles avec le fluide et les conditions opérationnelles (corrosion, températures extrêmes, etc.).
Les facteurs qui influencent le dimensionnement
Le dimensionnement d’un tel équipement dépend de plusieurs facteurs clés influençant ses performances. Voici les éléments à prendre en compte :
– la contre-pression : la pression présente à la sortie de la soupape peut affecter :
– la pression de tarage : une contre-pression élevée peut réduire la pression à laquelle la soupape s’ouvre, modifiant ainsi son point de déclenchement.
– la fermeture : une contre-pression excessive peut empêcher la soupape de se refermer complètement, provoquant des fuites.
Plusieurs types de soupapes sont appropriés : à ressort standard, équilibrée à soufflet, pilotée.
- La température du fluide : elle influence à la fois la capacité de décharge et le choix de matériaux. Une mauvaise prise en compte de ces facteurs peut entraîner des pertes d’étanchéité, des sous-dimensionnements et des défaillances mécaniques.
- L’installation et l’orientation : un bon aménagement de l’organe mécanique est essentiel pour garantir un fonctionnement optimal, sa durabilité et son efficacité en cas de surpression (importance du raccordement, de l’accessibilité et de la maintenance). Voici les risques d’une structure mal agencée : fuites, dysfonctionnement ou défaillance complète du dispositif.
Quels logiciels utiliser pour le dimensionnement ?
Afin d’assurer un bon dimensionnement, voici une sélection de logiciels spécialisés :
- Valvestar (LESER) : programme gratuit prenant en compte les codes mondiaux les plus importants et proposant des rapports personnalisés pour la documentation technique.
- AspenTech : module pour le dimensionnement, la validation et la documentation des soupapes de sécurité.
- Conval : outil d’ingénierie utilisé pour le calcul de soupapes, de vannes et d’équipements sous pression.
Savoir comment dimensionner de manière précise une soupape de sûreté est essentiel pour garantir la protection des équipements et la sécurité des installations industrielles.
Pour y parvenir, voici les bonnes pratiques :
- identifier des scénarios de surpression,
- déterminer des paramètres de conception,
- calculer la surface d’orifice de décharge,
- sélectionner les matériaux de la soupape,
- vérifier les lois applicables,
- effectuer une maintenance périodique après l’installation.
N’hésitez pas à faire appel à l’expertise de LSI France si vous souhaitez en savoir davantage sur comment dimensionner une soupape de sécurité.
