Types de safety valves

Une explication complète des nombreux types de safety valves disponibles, y compris le fonctionnement, les matériaux de construction et les accessoires.

Types de safety valves

Il existe une large gamme de safety valves disponibles pour répondre aux nombreuses applications et critères de performance différents exigés par les différentes industries. De plus, les normes nationales définissent de nombreux types variés de safety valves. La norme ASME I et la norme ASME VIII pour les applications de chaudières et de récipients sous pression et la norme ASME/ANSI PTC 25.3 pour les safety valves et les relief valves fournissent la définition suivante. Ces normes établissent les caractéristiques de performance ainsi que la définition des différents types de safety valves utilisées : Vanne ASME I - Une safety relief valve conforme aux exigences de la Section I du code ASME des récipients sous pression pour les applications de chaudières qui s’ouvrira dans les 3 % de surpression et se refermerait dans les 4 %. Elle comportera généralement deux bagues de réglage du blowdown et est identifiée par un poinçon « V » du National Board. Vanne ASME VIII - Une safety relief valve conforme aux exigences de la Section VIII du code ASME des récipients sous pression pour les applications de récipients sous pression qui s’ouvrira dans les 10 % de surpression et se refermerait dans les 7 %. Identifiée par un poinçon « UV » du National Board.

• Safety valve à faible levée - La position réelle du clapet détermine l’aire de décharge de la vanne.
• Safety valve à levée totale - L’aire de décharge n’est pas déterminée par la position du clapet.
• Safety valve à pleine section - Une safety valve sans saillie dans l’alésage, et dans laquelle la vanne se soulève d’une quantité suffisante pour que l’aire minimale en toute section, au niveau du siège ou en dessous, devienne l’orifice de contrôle.
• Safety relief valve conventionnelle - Le logement du ressort est ventilé côté décharge ; par conséquent, les caractéristiques de fonctionnement sont directement affectées par les changements de contre-pression de la vanne.
• Safety relief valve équilibrée - Une vanne équilibrée incorpore un moyen de minimiser l’effet de la contre-pression sur les caractéristiques de fonctionnement de la vanne.
• Pressure relief valve à pilotage - Le dispositif de décharge principal est combiné à un dispositif de décharge de pression auxiliaire auto-agissant et est contrôlé par celui-ci.
• Safety relief valve à actionnement motorisé - Une pressure relief valve dans laquelle le dispositif de décharge de pression principal est combiné à, et contrôlé par, un dispositif nécessitant une source d’énergie externe. Les types suivants de safety valves sont définis dans la norme DIN 3320, qui concerne les safety valves vendues en Allemagne et dans d’autres parties de l’Europe :
• Safety valve standard - Une vanne qui, après ouverture, atteint le degré de levée nécessaire pour que le débit massique soit déchargé dans une augmentation de pression ne dépassant pas 10 %. (La vanne est caractérisée par une action de type pop et est parfois connue sous le nom de haute levée).
• Safety valve à levée totale (Vollhub) - Une safety valve qui, après le début de la levée, s’ouvre rapidement dans une augmentation de pression de 5 % jusqu’à la levée totale telle que limitée par la conception. La levée jusqu’à l’ouverture rapide (gamme proportionnelle) ne doit pas dépasser 20 %.
• Safety valve à charge directe - Une safety valve dans laquelle la force d’ouverture sous le clapet est opposée par une force de fermeture telle qu’un ressort ou un poids.
• Safety valve proportionnelle - Une safety valve qui s’ouvre plus ou moins régulièrement en relation avec l’augmentation de pression. Une ouverture brusque dans une gamme de levée de 10 % ne se produira pas sans augmentation de pression. Après ouverture dans une pression ne dépassant pas 10 %, ces safety valves atteignent la levée nécessaire pour que le débit massique soit déchargé.
• Safety valve à membrane - Une safety valve à charge directe dans laquelle les éléments linéaires mobiles et rotatifs ainsi que les ressorts sont protégés contre les effets du fluide par une membrane.
• Safety valve à soufflet - Une safety valve à charge directe dans laquelle les éléments coulissants et (partiellement ou totalement) rotatifs ainsi que les ressorts sont protégés contre les effets des fluides par un soufflet. Le soufflet peut être conçu de manière à compenser les influences de la contre-pression.
• Safety valve à commande - Se compose d’une vanne principale et d’un dispositif de commande. Elle inclut également les safety valves à action directe avec charge complémentaire dans lesquelles, jusqu’à ce que la pression de consigne soit atteinte, une force supplémentaire augmente la force de fermeture. La norme EN ISO 4126 répertorie les définitions suivantes des types de safety valves :
• Safety valve - Une vanne qui, automatiquement et sans l’assistance d’une autre énergie que celle du fluide concerné, décharge une quantité de fluide de manière à empêcher le dépassement d’une pression de sécurité prédéterminée, et qui est conçue pour se refermer et empêcher l’écoulement supplémentaire de fluide après le rétablissement des conditions normales de pression en service. Remarque : la vanne peut être caractérisée soit par une action pop (ouverture rapide), soit par une ouverture proportionnelle (pas nécessairement linéaire) à l’augmentation de pression au-dessus de la pression de consigne.
• Safety valve à charge directe - Une safety valve dans laquelle la charge due à la pression du fluide sous le clapet n’est opposée que par un dispositif de charge mécanique directe tel qu’un poids, un levier et un poids, ou un ressort.
• Safety valve assistée - Une safety valve qui, au moyen d’un mécanisme d’assistance motorisé, peut en outre être soulevée à une pression inférieure à la pression de consigne et qui, même en cas de défaillance du mécanisme d’assistance, respectera toutes les exigences de safety valves données dans la norme.
• Safety valve à charge complémentaire - Une safety valve qui possède, jusqu’à ce que la pression à l’entrée de la safety valve atteigne la pression de consigne, une force supplémentaire qui augmente la force d’étanchéité. Remarque : cette force supplémentaire (charge complémentaire), qui peut être fournie au moyen d’une source d’énergie externe, est libérée de manière fiable lorsque la pression à l’entrée de la safety valve atteint la pression de consigne. La charge complémentaire est conçue de sorte que si elle n’est pas libérée, la safety valve atteindra sa capacité de décharge certifiée à une pression ne dépassant pas 1,1 fois la pression maximale admissible de l’équipement à protéger.
• Safety valve à pilotage - Une safety valve dont le fonctionnement est initié et contrôlé par le fluide déchargé d’une vanne pilote, qui est elle-même une safety valve à charge directe soumise aux exigences de la norme. Le tableau suivant résume les performances des différents types de safety valves établies par les différentes normes.

Safety valves conventionnelles

La caractéristique commune partagée entre les définitions des safety valves conventionnelles dans les différentes normes est que leurs caractéristiques de fonctionnement sont affectées par toute contre-pression dans le système de décharge. Il est important de noter que la contre-pression totale est générée à partir de deux composants : la contre-pression superposée et la contre-pression de rétablissement :

• Contre-pression superposée - La pression statique qui existe du côté de la sortie d’une vanne fermée.
• Contre-pression de rétablissement - La pression supplémentaire générée du côté de la sortie lorsque la vanne est en cours de décharge. Par conséquent, dans une safety valve conventionnelle, seule la contre-pression superposée affectera la caractéristique d’ouverture et la valeur de consigne, mais la contre-pression combinée modifiera la caractéristique du blowdown et la valeur de refermeture. La norme ASME/ANSI apporte la classification supplémentaire que les vannes conventionnelles ont un logement de ressort ventilé côté décharge de la vanne. Si le logement du ressort est ventilé à l’atmosphère, toute contre-pression superposée affectera toujours les caractéristiques de fonctionnement. Cela peut être observé à la Figure 9.2.1, qui montre des schémas de vannes dont les logements de ressort sont ventilés côté décharge de la vanne et à l’atmosphère.

En considérant les forces agissant sur le clapet (d’aire AD), on peut voir que la force d’ouverture requise (équivalente au produit de la pression d’entrée (PV) et de l’aire de la buse (AN)) est la somme de la force du ressort (FS) et de la force due à la contre-pression (PB) agissant sur le dessus et le dessous du clapet. Dans le cas d’un logement de ressort ventilé côté décharge de la vanne (une safety relief valve conventionnelle ASME, voir Figure 9.2.1 (a)), la force d’ouverture requise est :

PV AN = FS + PB AD - PB (AD - AN) ce qui se simplifie en Équation 9.2.1

Par conséquent, toute contre-pression superposée aura tendance à augmenter la force de fermeture et la pression d’entrée nécessaire pour soulever le clapet est plus élevée.

Dans le cas d’une vanne dont le logement de ressort est ventilé à l’atmosphère (Figure 9.2.1b), la force d’ouverture requise est :

Ainsi, la contre-pression superposée agit avec la pression du récipient pour vaincre la force du ressort, et la pression d’ouverture sera inférieure à celle attendue.

Dans les deux cas, si une contre-pression superposée significative existe, ses effets sur la pression de consigne doivent être pris en compte lors de la conception d’un système de safety valve. Une fois que la vanne commence à s’ouvrir, les effets de la contre-pression de rétablissement doivent également être pris en compte. Pour une safety valve conventionnelle avec le logement de ressort ventilé côté décharge de la vanne, voir Figure 9.2.1 (a), l’effet de la contre-pression de rétablissement peut être déterminé en considérant l’Équation 9.2.1 et en notant qu’une fois que la vanne commence à s’ouvrir, la pression d’entrée est la somme de la pression de consigne, PS, et de la surpression, PO. (PS + PO) AN = FS + PB AN ce qui se simplifie en Équation 9.2.3

Ainsi, la contre-pression superposée agit avec la pression du récipient pour vaincre la force du ressort, et la pression d’ouverture sera inférieure à celle attendue.

Dans les deux cas, si une contre-pression superposée significative existe, ses effets sur la pression de consigne doivent être pris en compte lors de la conception d’un système de safety valve. Une fois que la vanne commence à s’ouvrir, les effets de la contre-pression de rétablissement doivent également être pris en compte. Pour une safety valve conventionnelle avec le logement de ressort ventilé côté décharge de la vanne, voir Figure 9.2.1 (a), l’effet de la contre-pression de rétablissement peut être déterminé en considérant l’Équation 9.2.1 et en notant qu’une fois que la vanne commence à s’ouvrir, la pression d’entrée est la somme de la pression de consigne, PS, et de la surpression, PO. (PS + PO) AN = FS + PB AN ce qui se simplifie en Équation 9.2.3

Safety valves équilibrées

Les safety valves équilibrées sont celles qui incorporent un moyen d’éliminer les effets de la contre-pression. Il existe deux conceptions de base qui peuvent être utilisées pour y parvenir : Safety valve équilibrée à piston. Bien qu’il existe plusieurs variantes de la vanne à piston, elles consistent généralement en un clapet de type piston dont le mouvement est contraint par un guide ventilé. L’aire de la face supérieure du piston, AP, et l’aire du siège de la buse, AN, sont conçues pour être égales. Cela signifie que les aires effectives des surfaces supérieure et inférieure du clapet exposées à la contre-pression sont égales et que par conséquent, toutes les forces supplémentaires sont équilibrées. De plus, le chapeau du ressort est ventilé de sorte que la face supérieure du piston est soumise à la pression atmosphérique, comme le montre la Figure 9.2.2.

En considérant les forces agissant sur le piston, il est évident que ce type de vanne n’est plus affecté par aucune contre-pression :

Safety valve équilibrée à soufflet. Un soufflet d’aire effective (AB) équivalente à l’aire du siège de la buse (AN) est fixé à la surface supérieure du clapet et au guide de la tige. L’arrangement du soufflet empêche la contre-pression d’agir sur le côté supérieur du clapet dans l’aire du soufflet. L’aire du clapet s’étendant au-delà du soufflet et l’aire opposée du clapet sont égales, de sorte que les forces agissant sur le clapet sont équilibrées et la contre-pression a peu d’effet sur la pression d’ouverture de la vanne. La ventilation du soufflet permet à l’air de circuler librement dans et hors du soufflet lorsqu’il se dilate ou se contracte. La défaillance du soufflet est une préoccupation importante lors de l’utilisation d’une safety valve équilibrée à soufflet, car cela peut affecter la pression de consigne et la capacité de la vanne. Il est donc important qu’il existe un mécanisme pour détecter tout écoulement de fluide anormal à travers les ventilations du soufflet. De plus, certaines safety valves équilibrées à soufflet incluent un piston auxiliaire utilisé pour surmonter les effets de la contre-pression en cas de défaillance du soufflet. Ce type de safety valve n’est généralement utilisé que pour les applications critiques dans les industries pétrolières et pétrochimiques. En plus de réduire les effets de la contre-pression, les soufflets servent également à isoler le guide de la tige et le ressort du fluide de processus, ce qui est important lorsque le fluide est corrosif. Étant donné que les pressure relief valves équilibrées sont généralement plus coûteuses que leurs homologues non équilibrées, elles ne sont couramment utilisées que là où des collecteurs à haute pression sont inévitables, ou dans des applications critiques où une pression de consigne ou un blowdown très précis est requis.

Safety valve à pilotage

Ce type de safety valve utilise le milieu d’écoulement lui-même, à travers une vanne pilote, pour appliquer la force de fermeture sur le clapet de la safety valve. La vanne pilote est elle-même une petite safety valve. Il existe deux types de base de safety valves à pilotage, à savoir le type à membrane et le type à piston. Le type à membrane n’est généralement disponible que pour les applications à basse pression et produit une action de type proportionnelle, caractéristique des relief valves utilisées dans les systèmes liquides. Elles sont donc peu utiles dans les systèmes de steam et ne seront par conséquent pas considérées dans ce texte. Le type à piston consiste en une vanne principale utilisant un dispositif de fermeture de forme piston (ou obturateur), et une vanne pilote externe. La Figure 9.2.4 montre un schéma d’une safety valve à pilotage de type piston typique.

L’arrangement du piston et du siège incorporé dans la vanne principale est conçu de sorte que l’aire inférieure du piston, exposée au fluide d’entrée, soit inférieure à l’aire du dessus du piston. Comme les deux extrémités du piston sont exposées au fluide à la même pression, cela signifie que dans des conditions normales d’exploitation du système, la force de fermeture, résultant de la plus grande aire supérieure, est supérieure à la force d’entrée. La force résultante vers le bas maintient donc fermement le piston sur son siège.

Si la pression d’entrée devait augmenter, la force de fermeture nette sur le piston augmente également, garantissant qu’une fermeture étanche est continuellement maintenue. Cependant, lorsque la pression d’entrée atteint la pression de consigne, la vanne pilote s’ouvrira en pop pour libérer la pression du fluide au-dessus du piston. Avec beaucoup moins de pression de fluide agissant sur la surface supérieure du piston, la pression d’entrée génère une force nette vers le haut et le piston quittera son siège. Cela provoque l’ouverture en pop de la vanne principale, permettant au fluide de processus d’être déchargé. Lorsque la pression d’entrée a été suffisamment réduite, la vanne pilote se refermera, empêchant la libération supplémentaire de fluide du dessus du piston, rétablissant ainsi la force nette vers le bas, et provoquant le replacement du piston. Les safety valves à pilotage offrent de bonnes performances de surpression et de blowdown (un blowdown de 2 % est atteignable). Pour cette raison, elles sont utilisées là où une marge étroite est requise entre la pression de consigne et la pression de service du système. Les vannes à pilotage sont également disponibles dans des tailles beaucoup plus grandes, ce qui en fait le type de safety valve préféré pour les plus grandes capacités. L’une des principales préoccupations concernant les safety valves à pilotage est que les canalisations de connexion pilote de petit diamètre sont susceptibles d’être obstruées par des matières étrangères, ou en raison de la collecte de condensat dans ces canalisations. Cela peut entraîner la défaillance de la vanne, soit en position ouverte, soit en position fermée, selon l’endroit où le blocage se produit.

Safety valves à levée totale, haute levée et faible levée

Les termes levée totale, haute levée et faible levée se réfèrent à l’amplitude de course que le clapet subit lorsqu’il se déplace de sa position fermée à la position requise pour produire la capacité de décharge certifiée, et comment cela affecte la capacité de décharge de la vanne. Une safety valve à levée totale est une vanne dans laquelle le clapet se soulève suffisamment pour que l’aire de rideau n’influence plus l’aire de décharge. L’aire de décharge, et par conséquent la capacité de la vanne, sont ensuite déterminées par l’aire d’alésage. Cela se produit lorsque le clapet se soulève d’une distance d’au moins un quart du diamètre d’alésage. Une safety valve conventionnelle à levée totale est souvent le meilleur choix pour les applications de steam générales. Le clapet d’une safety valve à haute levée se soulève d’une distance d’au moins 1/12e du diamètre d’alésage. Cela signifie que l’aire de rideau, et en fin de compte la position du clapet, détermine l’aire de décharge. Les capacités de décharge des vannes à haute levée tendent à être significativement inférieures à celles des vannes à levée totale, et pour une capacité de décharge donnée, il est généralement possible de sélectionner une vanne à levée totale dont la taille nominale est plusieurs fois inférieure à celle d’une vanne à haute levée correspondante, ce qui entraîne généralement des avantages en termes de coûts. De plus, les vannes à haute levée tendent à être utilisées sur les fluides compressibles où leur action est plus proportionnelle. Dans les vannes à faible levée, le clapet ne se soulève que d’une distance de 1/24e du diamètre d’alésage. L’aire de décharge est entièrement déterminée par la position du clapet, et comme le clapet ne se soulève que faiblement, les capacités tendent à être bien inférieures à celles des vannes à levée totale ou à haute levée.

Matériaux de construction

Sauf lorsque les safety valves sont en cours de décharge, les seules parties mouillées par le fluide de processus sont le conduit d’entrée (buse) et le clapet. Comme les safety valves fonctionnent rarement dans des conditions normales, tous les autres composants peuvent être fabriqués à partir de matériaux standard pour la plupart des applications. Il existe cependant plusieurs exceptions, auquel cas des matériaux spéciaux doivent être utilisés, notamment :

• Les applications cryogéniques.
• Les fluides corrosifs.
• Lorsque la contamination du fluide déchargé n’est pas permise.
• Lorsque la vanne décharge dans un collecteur contenant des milieux corrosifs déchargés par une autre vanne. Les principaux composants de rétention de pression des safety valves sont normalement construits à partir de l’un des matériaux suivants :
• Bronze - Couramment utilisé pour les petites vannes filetées pour usage général sur les applications de steam, d’air et d’eau chaude (jusqu’à 15 bar).
• Fonte - Utilisée de manière extensive pour les vannes de type ASME. Son utilisation est généralement limitée à 17 bar g.
• Fonte GS - Couramment utilisée dans les vannes européennes et pour remplacer la fonte dans les vannes à plus haute pression (jusqu’à 25 bar g).
• Acier moulé - Couramment utilisé sur les vannes à plus haute pression (jusqu’à 40 bar g). Les vannes de type processus sont généralement fabriquées avec un corps en acier moulé et une construction austénitique à buse complète.
• Acier inoxydable austénitique - Utilisé dans les applications alimentaires, pharmaceutiques ou de steam propre. Pour les applications à très haute pression, les composants de rétention de pression peuvent être forgés ou usinés à partir de la masse. Pour toutes les safety valves, il est important que les pièces mobiles, en particulier la tige et les guides, soient fabriquées dans des matériaux qui ne se dégradent ou ne corrodent pas facilement. Comme les sièges et les clapets sont constamment en contact avec le fluide de processus, ils doivent pouvoir résister aux effets de l’érosion et de la corrosion. Pour les applications de processus, l’acier inoxydable austénitique est couramment utilisé pour les sièges et les clapets ; parfois ils sont « stellités » pour une durabilité accrue. Pour les fluides extrêmement corrosifs, les buses, les clapets et les sièges sont fabriqués dans des alliages spéciaux tels que le « monel » ou le « hastelloy ». Le ressort est un élément critique de la safety valve et doit fournir des performances fiables dans les paramètres requis. Les safety valves standard utiliseront typiquement de l’acier au carbone pour les températures modérées. L’acier au tungstène est utilisé pour les applications à plus haute température et non corrosives, et l’acier inoxydable est utilisé pour les services corrosifs ou de steam propre. Pour le gaz acide et les applications à haute température, des matériaux spéciaux tels que le monel, le hastelloy et l’« inconel » sont souvent utilisés.

Options et accessoires des safety valves

En raison de la large gamme d’applications dans lesquelles les safety valves sont utilisées, un certain nombre d’options différentes sont disponibles : Matériau de siège Une option clé est le type de matériau de siège utilisé. Les sièges métal-métal, couramment fabriqués en acier inoxydable, sont normalement utilisés pour les applications à haute température telles que le steam. Alternativement, des clapets élastiques peuvent être fixés sur l’une ou les deux surfaces de siège là où une fermeture plus étanche est requise, typiquement pour les applications de gaz ou de liquides. Ces inserts peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux, mais le Viton, le nitrile ou l’EPDM sont les plus courants. Les inserts à joint souple ne sont généralement pas recommandés pour l’utilisation avec du steam. Tableau 9.2.2 Matériaux de siège utilisés dans les safety valves

Leviers Les safety valves standard sont généralement équipées d’un levier de dégagement, qui permet de soulever manuellement la vanne afin de s’assurer qu’elle est opérationnelle à des pressions supérieures à 75 % de la pression de consigne. Cela est généralement fait dans le cadre de contrôles de sécurité de routine, ou pendant la maintenance pour éviter le grippage. L’installation d’un levier est généralement une exigence des normes nationales et des compagnies d’assurance pour les applications de steam et d’eau chaude. Par exemple, le code ASME pour chaudières et récipients sous pression stipule que les pressure relief valves doivent être équipées d’un levier si elles doivent être utilisées sur l’air, l’eau au-dessus de 60 °C, et le steam. Un levier standard ou ouvert est le type de levier le plus simple disponible. Il est typiquement utilisé sur les applications où une petite quantité de fuite du fluide vers l’atmosphère est acceptable, comme sur les systèmes de steam et d’air (voir Figure 9.2.5 (a)). Lorsqu’il n’est pas acceptable que le milieu s’échappe, un levier à presse-étoupes doit être utilisé. Celui-ci utilise un joint presse-étoupes pour s’assurer que le fluide est contenu dans le capuchon (voir Figure 9.2.5 (b)).

Pour les services où un levier n’est pas requis, un capuchon peut être utilisé simplement pour protéger la vis de réglage. S’il est utilisé en conjonction avec un joint, il peut être utilisé pour empêcher les émissions vers l’atmosphère (voir Figure 9.2.6).

Un verrou de test (Figure 9.2.7) peut être utilisé pour empêcher la vanne de s’ouvrir à la pression de consigne lors des essais hydrauliques lors de la mise en service d’un système. Une fois testé, la vis de verrouillage est retirée et remplacée par un bouchon court avant que la vanne ne soit mise en service.

Chapeaux ouverts et fermés Sauf si un étanchéité par soufflet ou membrane est utilisée, le fluide de processus pénétrera dans le logement du ressort (ou le chapeau). La quantité de fluide dépend de la conception particulière de la safety valve. Si l’émission de ce fluide dans l’atmosphère est acceptable, le logement du ressort peut être ventilé à l’atmosphère – un chapeau ouvert. Cela est généralement avantageux lorsque la safety valve est utilisée sur des fluides à haute température ou pour des applications de chaudières car, autrement, les hautes températures peuvent détendre le ressort, modifiant la pression de consigne de la vanne. Cependant, l’utilisation d’un chapeau ouvert expose le ressort et les éléments internes de la vanne aux conditions environnementales, ce qui peut entraîner des dommages et la corrosion du ressort. Lorsque le fluide doit être complètement contenu par la safety valve (et le système de décharge), il est nécessaire d’utiliser un chapeau fermé, qui n’est pas ventilé à l’atmosphère. Ce type d’enceinte de ressort est presque universellement utilisé pour les petites vannes filetées et devient de plus en plus courant sur de nombreuses gammes de vannes puisque, en particulier sur le steam, la décharge du fluide pourrait être dangereuse pour le personnel.

Étanchéité par soufflet et membrane Certaines safety valves, le plus souvent celles utilisées pour les applications d’eau, incorporent une membrane flexible ou un soufflet pour isoler le ressort de la safety valve et la chambre supérieure du fluide de processus (voir Figure 9.2.9).

Un soufflet ou une membrane en élastomère est couramment utilisé dans les applications d’eau chaude ou de chauffage, tandis qu’un soufflet ou une membrane en acier inoxydable serait utilisé sur les applications de processus employant des fluides dangereux.