Sélection des safety valves

Choisir et mettre en service la safety valve correcte, y compris les considérations de sélection, le réglage, l’étanchéité, le positionnement et les effets de la contre-pression.

Étant donné la très large gamme de safety valves disponibles, il n’est pas difficile de sélectionner une safety valve qui répond aux exigences spécifiques d’une application donnée. Une fois un type approprié sélectionné, il est impératif de déterminer la pression de soulagement et la capacité de décharge correctes, et de spécifier une vanne de taille adaptée et une pression de consigne.

La sélection d’un type spécifique de safety valve est régie par plusieurs facteurs :

• Coût - C’est la considération la plus évidente lors de la sélection d’une safety valve pour une application non critique. Lors de la comparaison des coûts, il est impératif de considérer la capacité de la vanne ainsi que la taille nominale. Comme mentionné dans le module précédent, il peut y avoir de grandes variations entre les modèles avec la même connexion d’entrée mais des caractéristiques de levée différentes.
• Type de système d’évacuation - Les vannes avec un capot ouvert peuvent être utilisées sur la vapeur, l’air ou les gaz non toxiques, si le rejet à l’atmosphère, autrement que par le système de décharge, est acceptable. Un levier de soulèvement est souvent spécifié dans ces applications. Pour les applications gazeuses ou liquides, où l’échappement à l’atmosphère n’est pas autorisé, un capot fermé doit être spécifié. Dans de telles applications, il est également nécessaire d’utiliser soit un capot fermé/étanche au gaz, soit un levier avec garniture. Pour les applications avec une contre-pression superposée significative (courante dans les collecteurs, typiquement rencontrée dans l’industrie de process), un soufflet compensé ou une construction à piston est requis.
• Construction de la vanne - Une construction semi-buse doit être utilisée pour les milieux non toxiques et non corrosifs à des pressions modérées, tandis que les vannes avec une construction à buse complète sont généralement utilisées dans l’industrie de process pour les milieux corrosifs ou pour des pressions extrêmement élevées. Pour les fluides corrosifs ou les hautes températures, des matériaux de construction spéciaux peuvent également être nécessaires.
• Caractéristiques de fonctionnement - Les exigences de performance varient selon l’application et la vanne doit être sélectionnée en conséquence. Pour les chaudières vapeur, une faible surpression est requise, habituellement 3% ou 5%. Pour la plupart des autres applications, une surpression de 10% est requise, mais selon l’API 520, pour des applications spéciales telles que la protection incendie, des vannes plus grandes avec des surpressions de 20% sont autorisées. Pour les liquides, des surpressions de 10% ou 25% sont courantes, et les valeurs de blowdown tendent à être jusqu’à 20%.
• Approbation - Pour de nombreuses applications de vannes, l’utilisateur final indiquera le code ou la norme requis pour la construction et les performances de la vanne. Cela est généralement accompagné d’une exigence d’approbation par une autorité indépendante, pour garantir la conformité avec la norme requise.

Réglage et étanchéité

Afin d’établir correctement la pression de consigne, les termes suivants nécessitent un examen attentif :

• Pression de fonctionnement normale (NWP) - La pression de fonctionnement du système dans des conditions de pleine charge.
• Pression de service maximale admissible (MAWP) - Parfois appelée pression de service sûr (SWP) ou pression de conception du système. C’est la pression maximale existant dans les conditions de fonctionnement normales (par rapport à la température de fonctionnement maximale) du système.
• Pression accumulée maximale admissible (MAAP) - La pression maximale à laquelle le système est autorisé à atteindre conformément à la spécification des normes de conception du système. La MAAP est souvent exprimée en pourcentage de la MAWP. Pour les appareils utilisant la vapeur, la MAAP sera souvent de 10% plus élevée que la MAWP, mais ce n’est pas toujours le cas. Si la MAWP n’est pas facilement disponible, l’autorité responsable de l’assurance de l’appareil doit être contactée. Si la MAAP ne peut pas être établie, elle ne doit pas être considérée comme supérieure à la MAWP.
• Pression de consigne (PS) - La pression à laquelle la safety valve commence à se soulever.
• Pression de soulagement (PR) - C’est la pression à laquelle la pleine capacité de la safety valve est atteinte. C’est la somme de la pression de consigne (PS) et de la surpression (PO).
• Surpression (PO) - La surpression est le pourcentage de la pression de consigne à laquelle la safety valve est conçue pour fonctionner. Il existe deux contraintes fondamentales qui doivent être prises en compte lors de l’établissement de la pression de consigne d’une safety valve :

1. La pression de consigne doit être suffisamment basse pour garantir que la pression de soulagement ne dépasse jamais la pression accumulée maximale admissible (MAAP) du système.
2. La pression de consigne doit être suffisamment élevée pour garantir qu’il y a une marge suffisante au-dessus de la pression de fonctionnement normale (NWP) pour permettre à la safety valve de se fermer. Cependant, la pression de consigne ne doit jamais être supérieure à la pression de service maximale admissible (MAWP). Afin de satisfaire à la première contrainte, il est nécessaire de considérer les grandeurs relatives du pourcentage de surpression et du pourcentage de MAAP (exprimé en pourcentage de la MAWP). Il y a deux cas possibles :

• Le pourcentage de surpression de la safety valve est inférieur ou égal au pourcentage de MAAP du système - Cela signifie que la pression de consigne peut être égale à la MAWP, car la pression de soulagement sera toujours inférieure à la MAAP réelle. Par exemple, si la surpression de la safety valve était de 5%, et la MAAP était de 10% de la MAWP, la pression de consigne serait choisie égale à la MAWP. Dans ce cas, la pression de soulagement (égale à la pression de consigne + 5% de surpression) serait inférieure à la MAAP, ce qui est acceptable. Note : que si le pourcentage de MAAP était supérieur au pourcentage de surpression, la pression de consigne sera quand même égale à la MAWP, car l’augmenter au-dessus de la MAWP violerait la deuxième contrainte.
• Le pourcentage de surpression de la safety valve est supérieur au pourcentage de MAAP du système - Dans ce cas, rendre la pression de consigne égale à la MAWP signifierait que la pression de soulagement serait supérieure à la MAAP, donc la pression de consigne doit être inférieure à la MAWP. Par exemple, si la surpression de la safety valve était de 25% et le pourcentage de MAAP n’était que de 10%, rendre la pression de consigne égale à la MAWP signifierait que la pression de soulagement serait de 15% supérieure à la MAAP. Dans ce cas, la pression de consigne correcte devrait être de 15% en dessous de la MAWP. Le tableau suivant résume la détermination du point de consigne basé sur la première contrainte. Tableau 9.3.1 Détermination de la pression de consigne utilisant la surpression de la safety valve et la MAAP de l’appareil

Sauf si des considérations opérationnelles dictent le contraire, afin de satisfaire à la deuxième contrainte, la pression de consigne de la safety valve doit toujours être quelque peu supérieure à la pression de fonctionnement normale avec une marge autorisée pour le blowdown. Une safety valve réglée juste au-dessus de la pression de fonctionnement normale peut entraîner une mauvaise fermeture après toute décharge.

Lorsque la pression de fonctionnement du système et la pression de consigne de la safety valve doivent être aussi proches que possible l’une de l’autre, une marge minimale de 0,1 bar entre la pression de refermeture et la pression de fonctionnement normale est recommandée pour garantir une fermeture étanche. C’est ce qu’on appelle la « marge de fermeture ». Dans ce cas, il est important de prendre en compte toute variation de la pression de fonctionnement du système avant d’ajouter la marge de 0,1 bar. De telles variations peuvent se produire lorsqu’une safety valve est installée après des vannes de réduction de pression (PRV) et d’autres vannes de contrôle, avec des bandes proportionnelles relativement larges. Dans pratiquement tous les systèmes de contrôle, il y a un certain décalage proportionnel associé à la bande proportionnelle (voir le Bloc 5, Théorie du contrôle, pour plus d’informations concernant le décalage proportionnel). Si une PRV à action directe est réglée dans des conditions de pleine charge, la pression de contrôle dans des conditions de charge nulle peut être significativement supérieure à sa pression de consigne. Inversement, si la vanne est réglée dans des conditions de charge nulle, la pression en pleine charge sera inférieure à sa pression de consigne. Par exemple, considérons une PRV à pilote avec une bande proportionnelle maximale de seulement 0,2 bar. Avec une pression de contrôle de 5,0 bar réglée dans des conditions de pleine charge, elle donnerait 5,2 bar dans des conditions de charge nulle. Alternativement, si la pression de contrôle de 5,0 bar est réglée dans des conditions de charge nulle, la même vanne présenterait une pression de contrôle de 4,8 bar dans des conditions de pleine charge. Lors de la détermination de la pression de consigne de la safety valve, si la pression de contrôle de la PRV est réglée dans des conditions de charge nulle, alors le décalage proportionnel n’a pas à être pris en compte. Cependant, si la pression de contrôle de la PRV est réglée dans des conditions de pleine charge, il est nécessaire de considérer l’augmentation de la pression aval résultant du décalage proportionnel de la PRV (voir Exemple 9.3.1). La quantité de décalage de contrôle de pression dépend du type de vanne de contrôle et du contrôleur de pression utilisé. Il est donc important de déterminer la bande proportionnelle de la vanne de contrôle amont ainsi que la manière dont cette vanne a été mise en service. Exemple 9.3.1 Une safety valve, qui doit être installée après une PRV, doit être réglée aussi près que possible de la pression de fonctionnement de la PRV. Étant donné les paramètres ci-dessous, déterminer la pression de consigne la plus appropriée pour la safety valve : Pression de consigne de la PRV : 6,0 bar (réglée dans des conditions de pleine charge) Bande proportionnelle de la PRV : 0,3 bar fonctionnant au-dessus de la pression de fonctionnement de la PRV Blowdown de la safety valve : 10% Réponse : Puisqu’il est nécessaire de s’assurer que la pression de consigne de la safety valve est aussi proche que possible de la pression de fonctionnement de la PRV, la safety valve est choisie de sorte que sa pression de blowdown soit supérieure à la pression de fonctionnement de la PRV (en tenant compte du décalage proportionnel), et une marge de fermeture de 0,1 bar. Premièrement, l’effet du décalage proportionnel de la PRV doit être considéré car la PRV est réglée dans des conditions de charge ; la pression de fonctionnement maximale normale qui sera rencontrée est : 6,0 bar + 0,3 bar = 6,3 bar (NWP) En ajoutant la marge de fermeture de 0,1 bar, la pression de consigne de la safety valve doit être de 10% supérieure à 6,4 bar. Pour cet exemple, cela signifie que la pression de consigne de la safety valve doit être :

La pression de consigne serait donc choisie à 7,11 bar, à condition que cela ne dépasse pas la MAWP du système protégé. Notez que si la PRV était réglée à 6,0 bar dans des conditions de charge nulle, et avec un blowdown de 10% de la safety valve, la pression de consigne de la safety valve serait :

Effets de la contre-pression sur la pression de consigne

Pour une safety valve conventionnelle soumise à une contre-pression superposée constante, la pression de consigne est effectivement réduite d’un montant égal à la contre-pression. Afin de compenser cela, la pression de consigne requise doit être augmentée d’un montant égal à la contre-pression. La pression de consigne différentielle à froid (la pression réglée sur le banc d’essai) sera donc :

Pour une contre-pression superposée variable, la pression de consigne effective pourrait changer au fur et à mesure que la contre-pression varie, et une vanne conventionnelle ne pourrait pas être utilisée si la variation était supérieure à 10% ou 15% de la pression de consigne. À la place, une vanne compensée devrait être utilisée.

Les relations des niveaux de pression pour les vannes de soulagement de pression telles que montrées dans l’API Recommended Practice 520 sont illustrées à la Figure 9.3.1.

Réglage d’une safety valve

Pour la plupart des types de safety valve, le réglage à l’air ou au gaz est autorisé. Un banc d’essai spécialement construit est généralement utilisé, permettant un montage facile et rapide de la safety valve, pour le réglage, et le verrouillage et le scellement ultérieurs de la vanne à la pression de consigne requise. L’exigence la plus importante, en plus des considérations de sécurité habituelles, est que des manomètres de qualité instrumentale soient utilisés et qu’un système d’étalonnage régulier soit en place. Toutes les normes de safety valves spécifient une tolérance particulière pour la pression de consigne (qui est typiquement d’environ 3%) et celle-ci doit être respectée. Il est également important que l’environnement soit propre, sans poussières et relativement calme. La source du fluide de réglage peut varier d’un cylindre d’air comprimé à un intensificateur et un réservoir d’accumulateur alimentés par un réseau d’air comprimé industriel. Dans ce dernier cas, l’air doit être propre, exempt d’huile et d’eau. Il est utile de noter qu’il n’y a aucune exigence pour une sorte d’essai de capacité. Le banc d’essai permet simplement de déterminer la pression de consigne requise. Habituellement, ce point est établi en écoutant un « sifflement » audible lorsque le point de consigne est atteint. Lors des ajustements, il est impératif que pour les vannes à sièges métalliques et à sièges souples, le disque ne soit pas autorisé à tourner sur le siège ou la buse, car cela peut facilement causer des dommages et empêcher l’obtention d’une bonne fermeture. La tige doit donc être maintenue pendant que le réglage est effectué. Il existe une différence fondamentale dans les procédures de réglage autorisées pour les vannes de chaudières vapeur ASME I. Afin de maintenir l’approbation du National Board et d’appliquer le poinçon « V » sur le corps de la vanne, ces vannes doivent être réglées à la vapeur sur un équipement capable non seulement d’atteindre la pression de consigne souhaitée mais aussi avec une capacité suffisante pour démontrer le point d’ouverture et le point de refermeture. Cela doit être fait conformément à une procédure de qualité approuvée et contrôlée. Pour les vannes ASME VIII (estampillées « UV » sur le corps), si le régleur dispose d’une installation de réglage à la vapeur, alors ces vannes doivent également être réglées à la vapeur. Sinon, le réglage au gaz ou à l’air est autorisé. Pour les applications liquides avec les vannes ASME VIII, le liquide approprié, habituellement l’eau, doit être utilisé à des fins de réglage. Dans le cas des vannes équipées de bagues de blowdown, les positions de consigne devront être établies et les goupilles de verrouillage scellées conformément aux recommandations du fabricant concerné.

Scellement

Pour les vannes ne revendiquant aucune norme particulière et sans référence à une norme sur la plaque signalétique ou la documentation accompagnante, il n’y a aucune restriction sur qui peut régler la vanne. De telles vannes sont normalement utilisées pour indiquer qu’une certaine pression a été atteinte, et n’agissent pas comme un dispositif de sécurité. Pour les vannes approuvées indépendamment par un organisme notifié, selon une norme spécifique, le réglage et le scellement de la vanne font partie de l’approbation. Dans ce cas, la vanne doit être réglée par le fabricant ou un agent agréé du fabricant travaillant conformément à des procédures de qualité convenues et utilisant du matériel approuvé par le fabricant ou l’organisme notifié. Pour empêcher toute modification non autorisée ou toute falsification, la plupart des normes exigent que des dispositions soient prises pour sceller la vanne après le réglage. La méthode la plus courante consiste à utiliser un fil de scellement pour sécuriser le capot au logement du ressort et le logement au corps. Il peut également être utilisé pour verrouiller les goupilles de réglage de blowdown en position. Le fil est ensuite scellé par un plomb de scellement, qui peut porter l’empreinte de la marque du régleur.

Positionnement de la safety valve

Afin de garantir que la pression accumulée maximale admissible de tout système ou appareil protégé par une safety valve n’est jamais dépassée, un examen attentif de la position de la safety valve dans le système doit être fait. Comme il existe une très large gamme d’applications, il n’y a pas de règle absolue quant à l’endroit où la vanne doit être positionnée et donc, chaque application doit être traitée séparément. Une application vapeur courante pour une safety valve est de protéger un équipement de processus alimenté par une station de réduction de pression. Deux dispositions possibles sont illustrées à la Figure 9.3.3. La safety valve peut être installée dans la station de réduction de pression elle-même, c’est-à-dire avant la vanne d’arrêt aval, comme dans la Figure 9.3.3 (a), ou plus en aval, plus près de l’appareil comme dans la Figure 9.3.3 (b). Le montage de la safety valve avant la vanne d’arrêt aval présente les avantages suivants :

• La safety valve peut être testée en ligne en fermant la vanne d’arrêt aval sans risque de surpression de l’appareil aval, si la safety valve devait défaillir pendant l’essai.
• Lorsque le test est effectué en ligne, la safety valve n’a pas à être retirée et testée sur banc, ce qui est plus coûteux et prend plus de temps.
• Lors du réglage de la PRV dans des conditions de charge nulle, le fonctionnement de la safety valve peut être observé, car cette condition est la plus susceptible de provoquer un « frémissement ». Si cela se produisait, la pression de la PRV peut être ajustée en dessous de la pression de refermeture de la safety valve.
• Tous les prélèvements supplémentaires en aval sont intrinsèquement protégés. Seuls les appareils avec une MAWP plus faible nécessitent une protection supplémentaire. Cela peut avoir des avantages significatifs en termes de coûts. Il est cependant parfois pratique de monter la safety valve plus près de l’entrée de vapeur de tout appareil. En effet, une safety valve séparée peut devoir être montée sur l’entrée de chaque appareil aval, lorsque la PRV alimente plusieurs de ces appareils. Les points suivants peuvent être utilisés comme guide :
• Si un seul appareil est alimenté, qui a une pression MAWP inférieure à la pression d’alimentation de la PRV, l’appareil doit être équipé d’une safety valve, de préférence couplée directement à sa connexion d’entrée de vapeur.
• Si une PRV alimente plus d’un appareil et la MAWP de tout élément est inférieure à la pression d’alimentation de la PRV, soit la station PRV doit être équipée d’une safety valve réglée à la MAWP la plus basse possible des appareils connectés, soit chaque élément d’appareil affecté doit être équipé d’une safety valve.
• La safety valve doit être positionnée de manière à ce que la pression ne puisse pas s’accumuler dans l’appareil via une autre route, par exemple, à partir d’une conduite de vapeur séparée ou d’une conduite de contournement. On pourrait arguer que chaque installation mérite une considération spéciale en matière de sécurité, mais les applications et situations suivantes sont un peu inhabituelles et méritent d’être considérées :
• Incendie - Tout récipient sous pression doit être protégé contre la surpression en cas d’incendie. Bien qu’une safety valve montée pour la protection opérationnelle puisse également offrir une protection dans des conditions d’incendie, de tels cas nécessitent un examen spécial, qui dépasse le cadre de ce texte.
• Applications exothermiques - Celles-ci doivent être équipées d’une safety valve couplée directement à l’entrée de vapeur de l’appareil ou directement au corps. Aucune alternative ne s’applique.
• Safety valves utilisées comme dispositifs d’avertissement - Parfois, des safety valves sont montées sur des systèmes comme dispositifs d’avertissement. Elles ne sont pas destinées à soulager les charges de défaillance mais à avertir de pressions augmentant au-dessus des pressions de fonctionnement normale pour des raisons opérationnelles uniquement. Dans ces cas, les safety valves sont réglées à la pression d’avertissement et n’ont besoin que d’une taille minimale. S’il y a un quelconque danger que les systèmes équipés d’une telle safety valve dépassent leur pression de service maximale admissible, ils doivent être protégés par des safety valves supplémentaires de la manière habituelle. Exemple 9.3.2 Afin d’illustrer l’importance du positionnement d’une safety valve, considérons un piège-pompe automatique (voir le Bloc 14) utilisé pour éliminer le condensate d’un récipient de chauffage. Le piège-pompe automatique (APT) incorpore un type de pompe mécanique, qui utilise la force motrice de la vapeur pour pomper le condensate à travers le système de retour. La position de la safety valve dépendra de la MAWP de l’APT et de la pression d’entrée motrice requise. Si la MAWP de l’APT est supérieure ou égale à celle du récipient, la disposition illustrée à la Figure 9.3.4 pourrait être utilisée. Cette disposition est adaptée si la pression motrice du piège-pompe est inférieure à 1,6 bar g (pression de consigne de la safety valve de 2 bar g moins 0,3 bar de blowdown et une marge de fermeture de 0,1 bar). Puisque la MAWP de l’APT et du récipient sont toutes deux supérieures à la pression de consigne de la safety valve, une seule safety valve fournirait une protection appropriée pour le système. Cependant, si la pression motrice du piège-pompe devait être supérieure à 1,6 bar g, l’alimentation de l’APT devrait être prise du côté haute pression de la PRV, et réduite à une pression plus appropriée, mais toujours inférieure à la MAWP de 4,5 bar g de l’APT. La disposition illustrée à la Figure 9.3.5 serait adaptée dans cette situation. Ici, deux stations PRV séparées sont utilisées, chacune avec sa propre safety valve. Si les éléments internes de l’APT défaillaient et que la vapeur à 4 bar g traversait l’APT et entrait dans le récipient, la safety valve « A » soulagerait cette pression et protégerait le récipient. La safety valve « B » ne se soulèverait pas car la pression dans l’APT est toujours acceptable et inférieure à sa pression de consigne. Il convient de noter que la safety valve « A » est positionnée du côté aval de la vanne de contrôle de température ; cela est fait pour des raisons de sécurité et opérationnelles :
• Sécurité - Si les éléments internes de l’APT défaillaient, la safety valve soulagerait quand même la pression dans le récipient même si la vanne de contrôle était fermée.
• Fonctionnement - Il y a moins de chances que la safety valve « A » frémisse pendant le fonctionnement dans cette position, car la pression est typiquement plus basse après la vanne de contrôle qu’avant. De plus, notez que si la MAWP du piège-pompe était supérieure à la pression en amont de la PRV « A », il serait permis d’omettre la safety valve « B » du système, mais la safety valve « A » doit être dimensionnée pour prendre en compte le débit de défaillance total à travers la PRV « B » ainsi qu’à travers la PRV « A ». Exemple 9.3.3 Une usine pharmaceutique a douze marmites à double enveloppe sur le même étage de production, toutes classées avec la même MAWP. Où la safety valve serait-elle positionnée ? Une solution serait d’installer une safety valve sur l’entrée de chaque marmite (Figure 9.3.6). Dans ce cas, chaque safety valve devrait être dimensionnée pour passer la charge entière, au cas où la PRV défaillait en position ouverte tandis que les onze autres marmites sont à l’arrêt. Comme toutes les marmites sont classées à la même MAWP, il est possible d’installer une seule safety valve après la PRV. Si un équipement supplémentaire avec une MAWP plus faible que les marmites (par exemple, un échangeur de chaleur à tubes et calottes) devait être inclus dans le système, il serait nécessaire d’installer une safety valve supplémentaire. Cette safety valve serait réglée à une pression de consigne inférieure appropriée et dimensionnée pour passer le débit de défaillance à travers la vanne de contrôle de température (voir Figure 9.3.8).