Soupapes de sécurité - Leur fonctionnement

Soupapes de sécurité - Comment elles fonctionnent

Soupape de sécurité

Figure 1 : Soupape de sécurité

Une soupape de sécurité protège un système contre les surpressions. Une surpression se produit lorsque la pression du système dépasse la pression de service maximale admissible (PSMA) 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 un peu, puis s'ouvre complètement afin que la pression indésirable soit éliminée du système le plus rapidement possible.

Les soupapes de sécurité empêchent les augmentations de pression qui entraînent des dysfonctionnements, des risques d'incendie ou des explosions. Le média du système actionne entièrement une soupape de sécurité, ce qui lui permet de fonctionner 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

Consultez notre sélection en ligne de soupapes de sécurité !

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.
  • Régler la pression : La pression à laquelle le disque de la soupape de sécurité commence à se soulever et à s'ouvrir.
  • Ascenseur : La distance que le disque parcourt entre la position fermée et la position requise pour la décharge.
  • La contre-pression : La pression exercée sur la sortie de la soupape de sécurité pendant l'écoulement. 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 service maximale admissible (PSMA) : La pression maximale admissible à une température donnée dans des conditions normales de fonctionnement. La MAWP est la pression maximale que le composant le plus faible du système peut supporter.
  • Soufflage : La différence entre la pression à laquelle le disque se soulève et la pression à laquelle la soupape se ferme. La purge est généralement exprimée en pourcentage.
  • Capacité de soufflage : La vitesse à laquelle la soupape de sécurité peut libérer l'excès de pression.

Types de soupapes de sûreté

Il existe différents types de soupapes de sécurité : les soupapes avec un mécanisme à ressort, les soupapes avec un soufflet équilibré et les 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 allant d'environ 1 à 1400 bars. Le mécanisme se compose des éléments suivants :

  • Chambre d'expansion : La chambre d'expansion (Figure 2 étiquetée A) augmente la surface contre laquelle le fluide du système pousse pour ouvrir la soupape de sécurité. Cela permet à la soupape de sécurité de s'ouvrir rapidement.
  • Le printemps : La rigidité du ressort (Figure 2 étiquetée B) détermine à quelle pression le fluide du système peut commencer à ouvrir la valve.
  • Disque : Le disque (Figure 2 étiqueté C) se trouve sur la buse et se déplace de haut en bas pour permettre ou empêcher le passage de la soupape de sécurité.
  • Bague de la buse : L'anneau de la buse (figure 2 marquée D) affecte la pression à laquelle le disque se rétracte. Un réglage élevé peut entraîner une remise en place trop tardive du disque. Un réglage bas peut entraîner l'ouverture et la fermeture aléatoires du disque alors qu'il ne devrait pas l'être.
  • Buse : La buse (Figure 2 étiquetée E) contrôle la surface du disque avec laquelle le média interagit avant l'ouverture de la vanne. Ainsi, le fluide travaille contre une plus grande surface lorsque la vanne s'ouvre, ce qui augmente la force agissant sur le disque et permet une ouverture rapide du disque.
Soupape de sécurité avec mécanisme à ressort : chambre d'expansion (A), ressort (B), disque (C), anneau de buse (D) et buse (E).

Figure 2 : Soupape de sécurité avec mécanisme à ressort : chambre d'expansion (A), ressort (B), disque (C), anneau de buse (D) et buse (E).

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 média 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, plus la surface du disque avec laquelle le média interagit augmente, plus la force augmente.

La caractéristique la plus importante des soupapes de sécurité est qu'elles s'ouvrent complètement en peu de temps pour atteindre la capacité de purge maximale en un minimum de temps. Cela est possible parce que le disque de la valve a un diamètre plus grand que celui de la buse. Dès que la pression d'entrée est suffisamment élevée, le disque se soulève. A ce moment, la surface du disque à laquelle le fluide peut accéder devient plus grande. Il en résulte une force d'entrée bien supérieure à la force du ressort, et la vanne s'ouvre complètement.

Il existe des versions spéciales de soupapes de sécurité pour les fluides incompressibles et compressibles et 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 levée à la pression de réponse (voir la figure 3).

Mécanisme d'une soupape de sécurité pour gaz et vapeurs (à gauche) : anneau de buse (A) et schéma d'écoulement (B). Caractéristique de purge d'une soupape de sécurité pour gaz et vapeurs (à droite) : pression de consigne (1) et levée (2).

Figure 3 : Mécanisme de la soupape de sécurité pour les gaz et les vapeurs (à gauche) : anneau de buse (A) et schéma d'écoulement (B). Caractéristique de purge d'une soupape de sécurité pour gaz et vapeurs (à droite) : pression de consigne (1) et levée (2).

Les soupapes de sécurité de ce type présentent un inconvénient de taille : elles sont très sensibles à la contre-pression. La contre-pression peut nuire à la sécurité de la vanne.

Soufflet équilibré

Soupape de sécurité à soufflet équilibré : guide (A), soufflet métallique (B), porte-disque (C).

Figure 4 : Soupape de sécurité à soufflet équilibré : guide (A), soufflet métallique (B), porte-disque (C).

Les soupapes de sûreté à soufflet équilibré ne sont pas sensibles aux effets négatifs de la contre-pression. Les soufflets (Figure 4 étiquetée B) situés au-dessus du disque permettent de répartir uniformément la contre-pression au-dessus et au-dessous du disque. En outre, le ressort n'entre pas en contact avec le milieu, ce qui évite toute influence indésirable du milieu sur le ressort. L'inconvénient des soupapes de sûreté à soufflet équilibré est que leur PSMA est inférieure à celle des soupapes de sûreté à action directe. Ils 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 service du système. Cela élimine les augmentations de pression inutiles au-delà de la pression de service. Les composants suivants travaillent ensemble pour rendre cela possible :

  • Ressort pilote : Le ressort de la veilleuse (figure 5, repérée A) contrôle la pression à laquelle le clapet de la veilleuse s'ouvre.
  • Valve pilote : La vanne pilote (Figure 5 étiquetée B) s'ouvre à une pression donnée, entraînant un différentiel de pression qui permet à la vanne principale de s'ouvrir.
  • Ressort principal : Le ressort principal (Figure 5 étiqueté C) maintient la vanne principale fermée jusqu'à ce que la vanne pilote s'ouvre.
  • Valve principale : La vanne principale (Figure 5 étiquetée D) s'ouvre pour permettre l'écoulement de l'entrée vers la sortie.
  • Bouton de réglage : Le bouton de réglage de la vanne pilote (Figure 5 étiquetée E) permet de régler la pression de consigne.

Tant que la pression d'entrée est inférieure à la pression de consigne, la vanne reste fermée (Figure 5 gauche). Dès que la pression d'entrée dépasse la pression de réponse, la vanne pilote se déplace vers la position ouverte, permettant l'écoulement à travers le trou pilote et hors de la vanne (Figure 5, au milieu). Il en résulte une différence de pression au niveau de la vanne principale, qui se déplace vers le haut, permettant au fluide restant de s'écouler librement vers la sortie (figure 5, à droite). La vanne se ferme lorsque la pression d'entrée redevient inférieure à la pression de réponse.

Soupape de décharge à commande par guide (à gauche) : ressort pilote (A), soupape pilote (B), ressort principal (C), soupape principale (D) et bouton de réglage (E). La soupape pilote s'ouvre en réponse à une pression d'entrée suffisamment élevée, permettant l'écoulement à travers le trou pilote et hors de la soupape (milieu). La vanne principale en position ouverte (à droite).

Figure 5 : Soupape de décharge avec commande par guide (à gauche) : ressort pilote (A), soupape pilote (B), ressort principal (C), soupape principale (D) et bouton de réglage (E). La vanne pilote s'ouvre en réponse à une pression d'entrée suffisamment élevée, permettant un écoulement à travers le trou pilote et hors de la vanne (au milieu). La vanne principale en position ouverte (à droite).

Soupape de sécurité contre le poids mort

Une soupape de sécurité à poids mort est le type de soupape de sécurité le plus simple. Il s'agit d'une vanne en bronze placée au sommet du tuyau de vapeur vertical d'une chaudière. Lorsque la pression dans la chaudière augmente suffisamment, la vapeur soulève la soupape jusqu'à ce qu'elle diminue suffisamment pour que la soupape retombe dans son siège. Ce type de vanne ne convient que pour les applications stationnaires.

Critères de sélection

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

  • Pression de consigne
  • Contre-pression
  • Capacité de décharge
  • Températures de fonctionnement
  • Soupape et matériau d'étanchéité

Applications

Les soupapes de sécurité sont principalement utilisées dans les applications industrielles pour se protéger contre les surpressions, qui peuvent provoquer des situations dangereuses telles que des incendies ou des explosions. Les soupapes de sécurité se trouvent souvent dans :

  • Industrie pétrolière, gazière et pétrolière : Par exemple, les soupapes de sécurité de subsurface, ou soupapes de sécurité de fond, 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.
  • L'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 sûreté en acier inoxydable sont idéales pour les industries qui exigent des conditions sanitaires. Par exemple, les industries de l'alimentation, des boissons et de la pharmacie.
  • CVC : Les soupapes de sécurité déchargent la pression en cas de blocage de l'évacuation, de dilatation thermique ou de chaleur externe susceptible d'endommager les composants.

Symbole de la soupape de sécurité

Symboles variables des soupapes de sécurité

Figure 6 : Symboles variables des soupapes de sécurité

Certifications des soupapes de sécurité

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

TÜV

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

ASME

L'ASME (American Society of Mechanical Engineers) assure la spécification et l'accréditation des appareils à pression, des chaudières et des dispositifs de décompression.

ISO 4126

La norme ISO 4126 est une spécification générale pour les soupapes de sûreté à pression, quel que soit le milieu de l'application.

FAQs

Que fait une soupape de sécurité ?

Une soupape de sécurité réduit rapidement la pression d'un système dans le cas où cette pression atteindrait des niveaux dangereux. La soupape de sécurité continue de fonctionner jusqu'à ce que la pression du système revienne à un niveau bien inférieur aux niveaux de sécurité.

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

Une soupape de sûreté n'arrête pas immédiatement le fonctionnement des composants en aval, alors qu'une soupape de sécurité le fait.

Quels sont les types de soupapes de sécurité ?

Les types de soupapes de sécurité les plus courants sont les soupapes à action directe, les soupapes pilotées et les soupapes 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 ASME pour les appareils sous pression. Ces soupapes doivent avoir un débit constant important pour une surpression maximale de 10 %.

Consultez notre sélection en ligne de soupapes de sécurité !