Dilatation et support des canalisations

Tout système de steam doit être entièrement supporté, capable de se dilater pendant le fonctionnement et suffisamment flexible pour permettre les mouvements qui en résultent. Ce tutoriel inclut des conseils sur différentes méthodes et des calculs complets.

Prise en compte de la dilatation

Toutes les canalisations seront installées à la température ambiante. Les canalisations transportant des fluides chauds tels que l’eau ou le steam fonctionnent à des températures plus élevées. Il s’ensuit qu’elles se dilatent, en particulier en longueur, lors du passage de la température ambiante aux températures de fonctionnement. Cela créera des contraintes sur certaines zones du système de distribution, telles que les joints de tuyauterie, qui, dans les cas extrêmes, pourraient se fissurer. L’amplitude de la dilatation est facilement calculée en utilisant l’Équation 10.4.1, ou lue à partir d’un diagramme approprié tel que la Figure 10.4.1.

Exemple 10.4.1

Une canalisation en acier au carbone de 30 m de long doit être utilisée pour transporter du steam à 4 bar g (152 °C). Si la canalisation est installée à 10 °C, déterminez la dilatation en utilisant l’Équation 10.4.1.

Alternativement, le diagramme de la Figure 10.4.1 peut être utilisé pour trouver la dilatation approximative de différentes longueurs de tuyauterie en acier – voir l’Exemple 10.4.2 pour une explication de son utilisation. Exemple 10.4.2 En utilisant la Figure 10.4.1. Trouvez la dilatation approximative depuis 15 °C de 100 mètres de tuyauterie en acier au carbone utilisée pour distribuer du steam à 265 °C. La différence de température est 265 - 15 °C = 250 °C. Là où la ligne diagonale de différence de température de 250 °C coupe la ligne horizontale de longueur de tuyauterie à 100 m, abaissez une ligne verticale. Pour cet exemple, une dilatation approximative de 330 mm est indiquée.

Flexibilité de la tuyauterie Le système de tuyauterie doit être suffisamment flexible pour accommoder les mouvements des composants lors de leur dilatation. Dans de nombreux cas, la flexibilité du système de tuyauterie, due à la longueur du tuyau et au nombre de coudes et de supports, signifie qu’aucune contrainte excessive n’est imposée. Dans d’autres installations, cependant, il sera nécessaire d’incorporer des moyens permettant d’obtenir cette flexibilité requise. Un exemple sur un système de steam typique est l’évacuation du condensat depuis un purgeur de collecteur de steam vers la ligne de retour de condensat qui longe la canalisation de steam (Figure 10.4.2). Ici, la différence entre les dilatations des deux systèmes de tuyauterie doit être prise en compte. Le collecteur de steam fonctionnera à une température plus élevée que celle du collecteur de condensat, et les deux points de connexion se déplaceront l’un par rapport à l’autre lors du réchauffage du système.

L’amplitude du mouvement devant être absorbé par la tuyauterie et tout dispositif qui y est incorporé peut être réduite par « pré-contrainte à froid ». La dilatation totale est d’abord calculée pour chaque section entre les points d’ancrage fixes. Les tuyaux sont laissés courts de la moitié de cette valeur, et étirés à froid en serrant les boulons à un joint bridé, de sorte qu’à la température ambiante, le système soit contraint dans une direction.

Lorsqu’il est réchauffé à la moitié de la montée en température totale, la tuyauterie n’est plus sous contrainte. À la température de fonctionnement et après dilatation complète, la tuyauterie est contrainte dans la direction opposée. L’effet est qu’au lieu d’être contrainte de 0 F à +1 F unités de force, la tuyauterie est contrainte de -½ F à + ½ F unités de force.

En pratique, la tuyauterie est assemblée à froid avec une cale d’espacement, d’une longueur égale à la moitié de la dilatation, entre deux brides. Lorsque la tuyauterie est entièrement installée et ancrée aux deux extrémités, la cale est retirée et le joint est serré fermement (voir Figure 10.4.3).

La partie restante de la dilatation, si elle n’est pas absorbée par la flexibilité naturelle de la tuyauterie, nécessitera l’utilisation d’un dispositif de dilatation.

En pratique, la dilatation et le support des canalisations peuvent être classés en trois domaines comme le montre la Figure 10.4.4.

Les points fixes ou « ancrages » « A » fournissent une position de référence à partir de laquelle la dilatation se produit.

Les points de support coulissants « B » permettent un mouvement libre de dilatation de la tuyauterie, tout en maintenant l’alignement de la canalisation. Le dispositif de dilatation au point « C » est destiné à accommoder la dilatation et la contraction de la tuyauterie.

Les supports à rouleaux (Figures 10.4.5 et 10.4.6) sont des méthodes idéales pour supporter les tuyauteries, tout en leur permettant de se déplacer dans deux directions. Pour les tuyauteries en acier, les rouleaux doivent être fabriqués en matériau ferreux. Pour les tuyauteries en cuivre, ils doivent être fabriqués en matériau non ferreux. Il est recommandé que les tuyauteries supportées par des rouleaux soient équipées d’une sellette de tuyau boulonnée à un support mural à des distances ne dépassant pas 6 mètres pour maintenir l’alignement de la tuyauterie lors de toute dilatation et contraction.

Lorsque deux tuyauteries doivent être supportées l’une sous l’autre, il est déconseillé de suspendre la tuyauterie inférieure à la tuyauterie supérieure à l’aide d’un collier de fixation. Cela ajoutera une contrainte supplémentaire à la tuyauterie supérieure dont l’épaisseur a été dimensionnée pour supporter uniquement la contrainte de sa pression de service. Tous les supports de tuyauterie doivent être spécifiquement conçus pour s’adapter au diamètre extérieur de la tuyauterie concernée.

Dispositifs de dilatation

Le dispositif de dilatation (« C » Figure 10.4.4) est une méthode pour accommoder la dilatation. Ces dispositifs sont placés dans une ligne et sont conçus pour accommoder la dilatation, sans que la longueur totale de la ligne ne change. Ils sont communément appelés soufflets de dilatation, en raison de la construction en soufflet du manchon de dilatation. D’autres dispositifs de dilatation peuvent être fabriqués à partir de la tuyauterie elle-même. Cela peut être une solution moins coûteuse pour résoudre le problème, mais plus d’espace est nécessaire pour loger la tuyauterie.

Boucle complète Il s’agit simplement d’un tour complet de la tuyauterie et, sur les tuyauteries de steam, elle doit de préférence être installée en position horizontale plutôt que verticale pour empêcher le condensat de s’accumuler du côté amont. Le côté aval passe sous le côté amont et une grande attention doit être portée pour ne pas l’installer dans le mauvais sens, car le condensat peut s’accumuler dans la partie inférieure. Lorsque des boucles complètes doivent être installées dans un espace restreint, il faut veiller à spécifier que des boucles de sens approprié sont fournies. La boucle complète ne produit pas de force opposée à la tuyauterie en dilatation comme dans certains autres types, mais avec la pression du steam à l’intérieur de la boucle, il y a une légère tendance au déroulement, ce qui impose une contrainte supplémentaire sur les brides.

Ce design est rarement utilisé aujourd’hui en raison de l’espace occupé par la tuyauterie, et les soufflets de dilatation propriétaires sont désormais plus facilement disponibles. Cependant, les grands utilisateurs de steam tels que les centrales électriques ou les établissements disposant de grands systèmes de distribution extérieurs ont tendance à utiliser des dispositifs de dilatation de type boucle complète, car l’espace est généralement disponible et le coût est relativement faible.

Boucle en fer à cheval ou en lyre Lorsque l’espace est disponible, ce type est parfois utilisé. Il est préférable de l’installer horizontalement de sorte que la boucle et le collecteur soient dans le même plan. La pression n’a pas tendance à écarteler les extrémités de la boucle, mais il y a un très léger effet de redressement. Cela est dû au design mais ne provoque aucun désalignement des brides. Si l’une de ces configurations est installée avec la boucle verticalement au-dessus de la tuyauterie, alors un point de drainage doit être prévu du côté amont comme illustré à la Figure 10.4.8.

Boucles de dilatation

La boucle de dilatation peut être fabriquée à partir de longueurs de tuyaux droits et de coudes soudés aux joints (Figure 10.4.9). Une indication de la dilatation de tuyauterie pouvant être absorbée par ces ensembles est montrée à la Figure 10.4.10.

On peut voir de la Figure 10.4.9 que la profondeur de la boucle doit être le double de la largeur, et la largeur est déterminée à partir de la Figure 10.4.10, connaissant la dilatation totale attendue des tuyauteries de part et d’autre de la boucle.

Joint coulissant Les joints coulissants sont parfois utilisés car ils prennent peu de place, mais il est essentiel que la canalisation soit rigoureusement ancrée et guidée en stricte conformité avec les instructions du fabricant ; sinon la pression du steam agissant sur l’aire de la section transversale de la partie manchon du joint tend à écarter le joint en opposition aux forces produites par la tuyauterie en dilatation (voir Figure 10.4.11). Un désalignement provoquera la flexion du manchon coulissant, et un entretien régulier du presse-étoupes peut également être nécessaire.

Soufflets de dilatation Un soufflet de dilatation, Figures 10.4.12, a l’avantage de ne nécessiter aucun presse-étoupes (contrairement au type à joint coulissant). Mais il présente les mêmes inconvénients que le joint coulissant en ce sens que la pression intérieure tend à étendre le dispositif ; par conséquent, les ancrages et les guides doivent pouvoir résister à cette force.

Les soufflets peuvent incorporer des tiges de butée qui limitent la sur-compression et la sur-extension de l’élément. Celles-ci peuvent avoir peu de fonctionnement dans des conditions normales d’exploitation, car la plupart des ensembles de soufflets simples sont capables de résister à de petits mouvements latéraux et angulaires. Cependant, en cas de défaillance de l’ancrage, elles agissent comme des tirants et contiennent les forces de poussée de pression, empêchant les dommages à l’unité tout en réduisant la possibilité de dommages supplémentaires à la tuyauterie, à l’équipement et au personnel (Figure 10.4.13 (b)).

Lorsque des forces plus importantes sont attendues, une forme de renforcement mécanique supplémentaire doit être intégrée au dispositif, telle que des barres de renforcement articulées (Figure 10.4.13 (c)). Il y a invariablement plus d’une façon d’absorber le mouvement relatif entre deux tuyauteries déplacées latéralement en fonction des positions relatives des ancrages et des guides des soufflets. En termes de préférence, le déplacement axial est préférable au déplacement angulaire, qui à son tour est préférable au déplacement latéral. Les mouvements angulaires et latéraux doivent être évités autant que possible. La Figure 10.4.13 (a), (b) et (c) donne une indication approximative des effets de ces mouvements, mais, en toutes circonstances, il est fortement recommandé de consulter un expert du fabricant de soufflets concernant toute installation de soufflets de dilatation.

Espacement des supports de tuyauterie

La fréquence des supports de tuyauterie variera en fonction du diamètre du tuyau ; du matériau réel du tuyau (c’est-à-dire acier ou cuivre) ; et du fait que le tuyau soit horizontal ou vertical.

Quelques points pratiques méritant considération sont les suivants :

• Des supports de tuyauterie doivent être prévus à des intervalles ne dépassant pas ceux indiqués dans le Tableau 10.4.3, et le long des parties de bâtiments et de structures où des supports appropriés peuvent être montés.
• Lorsque deux ou plusieurs tuyauteries sont supportées sur un support commun, l’espacement entre les supports doit être celui de la plus petite tuyauterie.
• Lorsqu’un mouvement appréciable se produira, c’est-à-dire lorsque les tuyaux droits dépassent 15 mètres de longueur, les supports doivent être du type à rouleaux comme décrit précédemment.
• Les tuyauteries verticales doivent être correctement supportées à la base, pour supporter le poids total de la tuyauterie verticale et du fluide qu’elle contient. Les embranchements provenant de tuyauteries verticales ne doivent pas être utilisés comme moyen de support de la tuyauterie, car cela exercerait une contrainte excessive sur le raccord en T.
• Tous les supports de tuyauterie doivent être spécifiquement conçus pour s’adapter au diamètre extérieur de la tuyauterie concernée. L’utilisation de supports de tuyauterie surdimensionnés n’est pas une bonne pratique. Le Tableau 10.4.3 peut être utilisé comme guide pour calculer la distance entre les supports de tuyauterie pour les tuyauteries en acier et en cuivre.

Le sujet des supports de tuyauterie est traité de manière exhaustive dans la norme européenne EN 13480, Partie 3.