Types et principe de fonctionnement des soupapes de sécurité

Une soupape de sécurité protège un système contre la surpression. La surpression se produit lorsque la pression du système dépasse la Pression de Travail Maximale Autorisée (PTMA) ou la pression pour laquelle le système est conçu. Les soupapes de sécurité peuvent s'ouvrir très rapidement par rapport aux soupapes de décharge. Une soupape de sécurité s'ouvre à partir d'une pression définie ; la soupape s'ouvre d'abord légèrement, puis s'ouvre complètement pour que la pression indésirable soit évacuée du système le plus rapidement possible.

Les soupapes de sécurité empêchent les augmentations de pression qui peuvent entraîner des dysfonctionnements, des risques d'incendie ou des explosions. Le fluide du système actionne entièrement une soupape de sécurité, la maintenant opérationnelle en cas de panne de courant. Les soupapes de sécurité ne comportent que des pièces mécaniques, qui fonctionnent en cas de défaillance des dispositifs de sécurité électroniques ou pneumatiques.

Table des matières

• Terminologie importante
• Types de soupapes de sécurité
• Types d'actionnement des soupapes de sécurité
• Critères de sélection
• Applications
• Symbole de la soupape de sécurité
• Certifications des soupapes de sécurité
• Soupape de sécurité sous pression vs soupape de décharge
• FAQ

Terminologie importante

• Surpression : Pression excédentaire par rapport à la pression de réglage de la soupape de sécurité.
• Pression de fonctionnement : La pression à laquelle le système fonctionne dans des conditions normales de fonctionnement.
• Pression de réglage : La pression à laquelle le disque de la soupape de sécurité commence à se soulever et à s'ouvrir.
• Course : La distance parcourue par le disque de la position fermée à la position requise pour la décharge.
• Contre-pression : La pression accumulée à la sortie de la soupape de sécurité pendant l'écoulement. La contre-pression = Contre-pression accumulée + Contre-pression superposée.
• Contre-pression accumulée : La pression à la sortie lorsque la soupape de sécurité s'ouvre.
• Contre-pression superposée : La pression à la sortie d'une soupape de sécurité fermée.
• Pression de travail maximale autorisée (PTMA) : La pression maximale autorisée à une température désignée dans des conditions normales de fonctionnement. La PTMA est la pression maximale que le composant le plus faible du système peut supporter.
• Relâchement : La différence entre la pression à laquelle le disque se soulève et la pression à laquelle la soupape se referme. Le relâchement est généralement exprimé en pourcentage.
• Capacité de décharge : Le débit auquel la soupape de sécurité peut libérer la pression excédentaire.

Types de soupapes de sécurité

Il existe différents types de soupapes de sécurité : des soupapes avec un mécanisme à ressort, des soupapes à soufflet équilibré et des soupapes de sécurité pilotées. Chaque type présente un avantage dans une situation spécifique.

Mécanisme à ressort

La soupape de sécurité la plus courante est une soupape de sécurité à ressort ou à action directe. Un avantage de ce type est qu'il est disponible pour des plages de pression d'environ 1 à 1400 bars. Le mécanisme se compose des composants suivants :

• Chambre d'expansion : La chambre d'expansion (Figure 2 étiquetée A) augmente la surface sur laquelle le fluide du système pousse pour ouvrir la soupape de sécurité, lui permettant de s'ouvrir rapidement.
• Ressort : La rigidité du ressort (Figure 2 étiquetée B) détermine à quelle pression le fluide du système peut commencer à ouvrir la soupape.
• Disque : Le disque (Figure 2 étiqueté C) repose sur la buse et monte et descend pour permettre ou empêcher l'écoulement à travers la soupape de sécurité.
• Bague de buse : La bague de buse (Figure 2 étiquetée D) affecte la pression à laquelle le disque se referme. Un réglage élevé peut entraîner une fermeture tardive du disque, tandis qu'un réglage bas peut conduire à une ouverture et une fermeture aléatoires du disque quand cela ne devrait pas se produire.
• Buse : La buse (Figure 2 étiquetée E) contrôle la surface du disque avec laquelle le fluide interagit avant l'ouverture de la soupape. Cela fait travailler le fluide contre une plus grande surface lorsque la soupape s'ouvre, augmentant la force agissant sur le disque et ouvrant rapidement le disque.

L'équilibre entre la force du ressort d'une soupape de sécurité et la force d'entrée contrôle l'ouverture et la fermeture de la soupape. La pression d'entrée et la surface du disque avec laquelle le fluide interagit déterminent la force d'entrée. Selon la loi de Pascal, la force est égale au produit de la pression et de la surface. Par conséquent, à mesure que la surface du disque avec laquelle le fluide interagit augmente, la force augmente également.

La caractéristique la plus importante des soupapes de sécurité est qu'elles s'ouvrent rapidement et entièrement pour atteindre une capacité de décharge maximale en un minimum de temps. Cela est possible car le diamètre du disque de la soupape est plus grand que celui de la buse. Dès que la pression d'entrée est suffisamment élevée, le disque se soulève. À ce moment, la surface du disque à laquelle le fluide peut accéder devient plus grande. Cela entraîne une force d'entrée beaucoup plus grande que la force du ressort, et la soupape s'ouvre complètement.

Des versions spéciales de soupapes de sécurité existent pour les fluides incompressibles et compressibles ainsi que pour les gaz/vapeurs. Les soupapes de sécurité pour les gaz et les vapeurs s'ouvrent souvent avant que la pression de réglage ne soit atteinte et s'ouvrent à au moins 50 % de la course à la pression de réponse (voir Figure 3). Les soupapes de sécurité de ce type présentent un inconvénient majeur : elles sont très sensibles à la contre-pression, ce qui peut affecter négativement la sécurité de la soupape.

Soupape à soufflet équilibré

Les soupapes de sécurité à soufflet équilibré ne sont pas sensibles aux impacts négatifs de la contre-pression. Les soufflets (Figure 4 étiquetés B) au-dessus du disque garantissent que la contre-pression est répartie de manière égale au-dessus et en dessous du disque. De plus, le ressort n'est pas en contact avec le fluide, empêchant toute influence indésirable du fluide sur le ressort. L'inconvénient des soupapes de sécurité à soufflet équilibré est que leur PTMA est inférieure à celle des soupapes de sécurité à action directe. Elles fonctionnent jusqu'à un maximum de 15,9 bars.

Soupape de sécurité pilotée

Dans une soupape de sécurité pilotée, la pression requise pour ouvrir le disque est beaucoup plus proche de la pression de fonctionnement du système. Cela élimine les augmentations de pression inutiles au-delà de la pression de fonctionnement. Les composants suivants travaillent ensemble pour rendre cela possible :

• Ressort pilote : Le ressort pilote (Figure 5 étiqueté A) contrôle la pression à laquelle le clapet pilote s'ouvre.
• Clapet pilote : Le clapet pilote (Figure 5 étiqueté B) s'ouvre à une pression définie, entraînant une différence de pression qui permet à la soupape principale de s'ouvrir.
• Ressort principal : Le ressort principal (Figure 5 étiqueté C) maintient la soupape principale fermée jusqu'à ce que le clapet pilote s'ouvre.
• Soupape principale : La soupape principale (Figure 5 étiquetée D) s'ouvre pour permettre l'écoulement de l'entrée à la sortie.
• Bouton de réglage : Le bouton de réglage sur le clapet pilote (Figure 5 étiqueté E) permet d'ajuster la pression de réglage.

Tant que la pression d'entrée est inférieure à la pression de réglage, la soupape reste fermée (Figure 5 gauche). Dès que la pression d'entrée dépasse la pression de réponse, le clapet pilote se déplace vers la position ouverte, permettant à l'écoulement à travers le trou pilote et hors de la soupape (Figure 5 milieu). Cela crée une différence de pression sur la soupape principale, la faisant monter, permettant au reste du fluide de s'écouler librement vers la sortie (Figure 5 droite). La soupape se referme lorsque la pression d'entrée redescend en dessous de la pression de réponse.

Soupape de sécurité à poids mort

Une soupape de sécurité à poids mort est le type le plus simple de soupape de sécurité. Elle se compose d'une soupape en laiton sur le dessus d'un tuyau de vapeur vertical de chaudière. Lorsque la pression à l'intérieur de la chaudière atteint un niveau suffisant, la vapeur soulève la soupape jusqu'à ce qu'elle redescende suffisamment pour se remettre en place. Ce type de soupape convient uniquement aux applications stationnaires.

Types d'actionnement des soupapes de sécurité

Les types d'actionnement des soupapes de sécurité sont cruciaux pour la manière dont une soupape réagit et s'intègre dans différents systèmes. Voici un aperçu simplifié des trois principaux types :

• Soupapes de sécurité électriques : Elles utilisent des signaux électriques pour le contrôle, ce qui les rend idéales pour les systèmes nécessitant des ajustements précis mais pas nécessairement des réponses rapides. Elles sont souvent utilisées dans des configurations automatisées où la soupape peut être programmée pour réagir à des conditions spécifiques telles que des changements de pression.
• Soupapes de sécurité pneumatiques : Ces soupapes utilisent de l'air comprimé pour fonctionner, offrant des réponses rapides. Elles sont idéales pour les endroits où l'électricité n'est pas une option ou est trop dangereuse. Vous les trouverez dans des industries comme le pétrole et le gaz ou le traitement chimique, où elles aident à soulager rapidement la pression pour éviter les accidents.
• Soupapes de sécurité hydrauliques : Actionnées par la pression du fluide (généralement de l'huile), ces soupapes sont destinées à une utilisation intensive où vous avez besoin de beaucoup de force pour ouvrir ou fermer la soupape. Elles offrent un fonctionnement fluide et sont parfaites pour les situations de haute pression où une chute soudaine de pression pourrait poser problème.

Critères de sélection

Pour protéger votre système contre la surpression, il est essentiel de comprendre les cinq critères de sélection ci-dessous. Veuillez consulter notre article technique sur la sélection des soupapes de sécurité pour mieux comprendre ces critères.

• Pression de réglage
• Contre-pression
• Capacité de décharge
• Températures de fonctionnement
• Matériau de la soupape et des joints d'étanchéité

Applications

La principale fonction d'une soupape de sécurité est de protéger les applications industrielles contre la surpression, qui peut entraîner des situations dangereuses telles que des incendies ou des explosions. Les soupapes de sécurité industrielles se trouvent souvent dans :

• Industrie pétrolière, gazière et pétrochimique : Par exemple, les soupapes de sécurité de fond de puits, ou les soupapes de sécurité de fond de trou, sont courantes sur les puits de pétrole offshore. En cas de dysfonctionnement de l'équipement, une soupape de sécurité peut se fermer rapidement pour empêcher le pétrole et le gaz de remonter dans le puits dans des conditions dangereuses.
• Énergie : Les soupapes de sécurité dans les centrales électriques sont courantes pour les gaz compressibles tels que la vapeur et l'air.
• Sanitaire : Les soupapes de sécurité en acier inoxydable sont idéales pour les industries nécessitant des conditions sanitaires. Par exemple, dans les industries alimentaires, des boissons et pharmaceutiques.
• CVAC : Les soupapes de sécurité soulagent la pression en cas de décharge bloquée, d'expansion thermique ou de chaleur externe pouvant endommager les composants.

Symbole de la soupape de sécurité

Certifications des soupapes de sécurité

Les soupapes de sécurité doivent être conformes à diverses normes nationales et internationales en matière de sécurité et de qualité. Pour garantir que le produit est conforme, veuillez consulter les normes locales.

TÜV

La certification TÜV évalue la sécurité d'un produit. Elle vérifie qu'il répond aux exigences minimales de la Directive sur les équipements sous pression (PED) 2014/68/UE. La PED définit les normes de conception et de fabrication des équipements sous pression tels que les dispositifs de sécurité, les chaudières à vapeur, les pipelines et les récipients sous pression fonctionnant à une pression maximale autorisée supérieure à 0,5 bar.

ASME

L' ASME (American Society of Mechanical Engineers) garantit la spécification et l'accréditation des récipients sous pression, des chaudières et des dispositifs de sécurité.

ISO 4126

La norme ISO 4126 est une spécification générale pour les soupapes de sécurité, quel que soit le fluide d'application.

Soupape de sécurité sous pression vs soupape de décharge

Les soupapes de sécurité sous pression et les soupapes de décharge présentent des similitudes et des différences importantes.

• Similitudes : Les deux types de soupapes sont des dispositifs de sécurité conçus pour s'ouvrir automatiquement à un niveau de pression défini pour éviter la surpression dans un système.
• Différences : Les soupapes de sécurité sous pression sont conçues pour s'ouvrir rapidement et soulager rapidement la pression. Les soupapes de décharge s'ouvrent plus progressivement pour contrôler la diminution de pression du système.

En savoir plus dans notre article complet de comparaison des soupapes de sécurité sous pression et de décharge.

FAQ

Que fait une soupape de sécurité ?

Une soupape de sécurité réduit rapidement la pression d'un système lorsqu'elle atteint des niveaux dangereux. La soupape de sécurité continue de fonctionner jusqu'à ce que la pression du système revienne à des niveaux sûrs.

Quelle est la différence entre une soupape de décharge et une soupape de sécurité ?

Une soupape de décharge ne stoppera pas immédiatement le fonctionnement des composants en aval, tandis qu'une soupape de sécurité le fera.

Quels sont les types de soupapes de sécurité ?

Les types courants de soupapes de sécurité sont à action directe, pilotées et à soufflet équilibré.

Qu'est-ce qu'une soupape de sécurité ASME ?

Une soupape de sécurité ASME répond aux exigences de la Section I du code des récipients sous pression de l'ASME. Ces soupapes doivent avoir un débit constant important à pas plus de 10 % de surpression.