EN
Une soupape de décharge sous pression constitue la dernière ligne de défense contre les surpressions dans les récipients sous pression et les réseaux de tuyauteries. L’API 520 (parties I et II) régit le dimensionnement, la sélection et l’installation des dispositifs de décharge sous pression dans les industries du raffinage pétrolier et connexes. L’API 521 fournit la méthodologie d’ingénierie permettant d’identifier les scénarios de surpression et de concevoir les systèmes de décharge. L’API 526 normalise les aires d’orifice, les dimensions et les classes de pression des soupapes de décharge sous pression en acier à brides. Cet article, rédigé à l’intention des ingénieurs et des professionnels des achats, résume les principes de choix de la pression de tarage, la logique de sélection des soupapes et la méthode de calcul de la capacité de décharge.
Fig. 1 Vue en coupe d’une soupape classique à ressort soupape de sécurité — ensemble siège, disque et ressort
1. Équipements nécessitant une protection contre les surpressions
L’API 521 exige une protection contre les surpressions pour les récipients sous pression, les échangeurs thermiques, les réchauffeurs à flamme et toute section de canalisation pouvant être bloquée par dilatation thermique ou par des fluctuations de pression en amont.
Principe de protection groupée : une soupape de sécurité protège un groupe d’équipements — ceux situés entre deux vannes d’isolement et soumis à la même source de surpression — plutôt que chaque récipient individuellement. Les scénarios de surpression suivants doivent être évalués :
- Sortie bloquée — fermeture d’une vanne d’isolement aval qui piège le système sous surpression ;
- Apport de chaleur externe en cas d’incendie ;
- Réaction chimique incontrôlée ou dilatation thermique du fluide contenu ;
- Perte de services auxiliaires (eau de refroidissement, alimentation électrique ou air instrumenté) ;
- Dépassement de pression causé par la défaillance d’une vanne de régulation de pression en amont.
Dans une usine d’acide sulfurique, le convertisseur, le réservoir tampon de refoulement du souffleur de SO₂, le collecteur de vapeur et le tambour de la chaudière à récupération de chaleur à pression intermédiaire sont les éléments clés à protéger.
2. Critères principaux de sélection
Type de vanne : à ressort soupape de sécurité est le type le plus couramment utilisé. La norme API 526 définit quatorze désignations normalisées d’orifice, identifiées par des lettres allant de D à T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), couvrant l’ensemble des besoins usuels en capacité de soulagement. Lorsque la contre-pression dépasse 10 % de la pression de tarage, il convient de choisir une vanne à soufflet équilibré. Les vannes pilotées tolèrent des contre-pressions plus élevées et plus variables, et conviennent aux services propres présentant un ΔP élevé.
Pression de tarage : conformément à la section VIII d’ASME et à la norme API 520, pour les cas non liés à un incendie, la pression maximale de soulagement est de 110 % de la pression de conception (accumulation de 10 %). Pour les cas liés à un incendie, une surpression de 21 % (soit 121 % de la pression de conception) est autorisée.
Vérification de la contre-pression : pour une vanne à ressort conventionnelle, une contre-pression supérieure à 10 % de la pression de tarage dégrade la levée et la capacité d’évacuation. Une vanne à soufflet équilibré utilise un soufflet dont la surface effective est égale à la surface du siège, éliminant ainsi l’effet de la contre-pression sur la pression de tarage.
Fig. 2 Coupe d’une vanne à ressort soupape de sécurité — avec ensemble soufflet
3. Capacité d’évacuation et dimensionnement de l’orifice
La section au col du diffuseur doit être dimensionnée pour le débit d’évacuation maximal dans la condition anormale. L’API 520 Partie I fournit les méthodes de dimensionnement pour les écoulements gazeux/vapeur, liquides et diphasiques.
Service gaz/vapeur (écoulement critique) :
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
où :
- A — surface effective d’évacuation requise ;
- W — débit massique d’évacuation (kg/h) ;
- C — coefficient du gaz, fonction du rapport des chaleurs spécifiques k ;
- Kd — coefficient effectif de débit (0,975 pour les gaz/vapeurs selon API 520) ;
- P1 — pression de soulagement, absolue ;
- Kb — facteur de correction de contre-pression ;
- T — température de soulagement (K) ;
- Z — facteur de compressibilité ;
- M — masse molaire du fluide.
Remarques sur le calcul : chaque source anormale doit être identifiée séparément. Par exemple, pour une chaudière à récupération de chaleur, le débit de soulagement doit inclure la production maximale de vapeur ainsi que l’évaporation supplémentaire causée par la chaleur apportée par un incendie ; dans le cas contraire, l’orifice sera sous-dimensionné et la protection inefficace.
Destination du rejet : API 521 exige que les fluides inflammables et toxiques soient dirigés vers une torche ou un système fermé de collecte. Les scénarios de soulagement présentant un risque d’explosion de nuage de vapeur doivent être traités au moyen d’une torche, d’un système basse pression, d’un système HIPS ou d’une refonte de conception.
4. Exigences d’installation et de tuyauterie
Tuyauterie d’entrée : la norme API 520, partie II, exige que la soupape de sécurité soit installée aussi près que possible de l’équipement à protéger, et que la perte de pression dans la tuyauterie d’entrée ne dépasse pas 3 % de la pression de tarage (la « règle des 3 % »). Une perte excessive provoque des battements ou une ouverture retardée.
Tuyauterie de sortie : le corps de la soupape ne doit pas supporter la tuyauterie de sortie ; celle-ci nécessite un support indépendant et doit permettre la dilatation thermique. La ligne d’évacuation doit être disposée de façon à assurer un écoulement gravitaire afin d’éviter l’accumulation de condensats qui pourrait influencer la contre-pression.
Plusieurs soupapes sur une même rampe commune : lorsque plusieurs soupapes de sécurité évacuent vers une même rampe commune, il faut évaluer la contre-pression accumulée dans cette rampe sur les performances de soulèvement de chaque soupape.
5. Étude de cas sur site
Un réservoir de recyclage d’acide sulfurique à 98,5 % H₂SO₄ dans une usine d’acide sulfurique avait été conçu comme « réservoir atmosphérique » et n’était pas équipé d’une soupape de sécurité. Lors de la mise en service, la vanne de chauffage par vapeur a fui, la température de l’acide dans le réservoir a augmenté et de la vapeur s’est accumulée. La pression a brièvement atteint 0,04 MPa, soufflant la garniture du regard situé sur le toit du réservoir et permettant à l’acide sulfurique de s’échapper.
Par la suite, conformément aux exigences de ventilation API 2000 pour les réservoirs de stockage atmosphériques et à basse pression, un ensemble combiné de soupape de respiration et de soupape de sécurité a été installé, réglé à une pression de 0,03 MPa, avec une capacité de décharge dimensionnée pour le débit maximal de vapeur généré.
Point clé : une conception « atmosphérique » ne signifie pas qu’une surpression ne peut jamais se produire. Le chauffage, les réactions chimiques et les erreurs d’exploitation doivent tous être pris en compte dans l’analyse des scénarios de surpression.
Conclusion
La logique d’ingénierie appliquée aux soupapes de sécurité peut se résumer ainsi : configurer les soupapes selon la source de surpression (protection groupée), dimensionner l’orifice en fonction du débit anormal, choisir le type de soupape en fonction de la contre-pression et du fluide, et limiter la perte de pression à l’entrée conformément à la règle des 3 %. Le cadre normatif API 520/521/526 fournit une chaîne complète allant de l’identification des scénarios et du dimensionnement jusqu’à la vérification de l’installation. Un article complémentaire traitera des disques de rupture et de leur utilisation combinée avec les soupapes de sécurité.
Références
API 520 Partie I / Partie II — Dimensionnement, sélection et installation des dispositifs de sécurité contre la surpression, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Systèmes de sécurité contre la surpression et de dépressurisation, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Soupapes de sécurité en acier à brides, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Évents pour réservoirs de stockage atmosphériques et à basse pression, American Petroleum Institute (API).
Code ASME pour les chaudières et les récipients sous pression, section VIII, division 1 — accumulation maximale de 10 % pour les cas non liés à un incendie et de 21 % pour les cas liés à un incendie.
Shanghai Xiazhao Valve — solutions en matière de valves de sécurité et de valves spéciales. Pour obtenir une assistance concernant la sélection conforme aux normes API ou pour toute question technique, veuillez contacter notre équipe d’ingénierie.
