L’analyse des contraintes dans la tuyauterie

Sur le plan mécanique, l’analyse des contraintes permet de s’assurer qu’un système de tuyauterie connecté ou non à des équipements est sécuritaire, et ce, dans toutes les circonstances possibles :

• lors du démarrage;

• lors de l’arrêt;

• dans des conditions normales d’exploitation;

• dans des conditions anormales (upset);

• lors d’un séisme;

• en présence de vent.

Du point de vue de l’analyse des contraintes, les différents moyens utilisés pour s’assurer qu’un système de tuyauterie est exploité de façon sécuritaire sont les suivants :

• Respecter les contraintes du code de tuyauterie selon lequel la conduite est conçue, fabriquée et testée.

• Respecter les efforts maximums permis aux équipements sur lesquels se connecte le système de tuyauterie.

• Respecter les contraintes permises dans les éléments qui servent à supporter la tuyauterie.

• S’assurer que la tuyauterie est supportée de façon adéquate pour tous les cas de chargement et qu’elle reste en place sur les supports.

• S’assurer que la déflexion verticale de la tuyauterie entre deux supports n’est pas excessive, notamment pour les conduites conçues avec une pente pour le drainage.

• Vérifier que les différentes conduites n’ont pas d’interférence entre elles pour tous les scénarios d’exploitation.

Le logiciel CAESAR II

Le logiciel utilisé chez BBA pour analyser les contraintes est CAESAR II. Cet outil permet de simuler le comportement d’un système de tuyauterie soumis :

• à la pression interne du fluide;

• au poids des composants du système de tuyauterie et des éléments externes, comme la glace;

• à l’expansion thermique ou à la contraction due à la température du fluide par rapport à la température d’installation du système de tuyauterie;

• aux déplacements imposés par les éléments extérieurs au système, comme les déplacements de la structure;

• aux forces induites par le vent et les tremblements de terre;

• aux forces induites par l’ouverture des dispositifs de sécurité sur le réseau, tels que les soupapes de sûreté et les disques de rupture.

Le logiciel est programmé pour calculer les contraintes selon les équations du code de tuyauterie utilisé pour effectuer l’analyse, et ce, pour les différents cas de chargement. Il compare ensuite les contraintes calculées avec les contraintes admissibles du code de tuyauterie pour les cas de chargement.

Avec les sous-routines programmées dans le logiciel, l’utilisateur·rice peut s’assurer que les forces et moments subis à la connexion de certains équipements rotatifs et non rotatifs ne sont pas supérieurs à la limite acceptée pour ces équipements. Les standards en matière de forces et de moments maximaux diffèrent en effet selon le type d’équipement.

Dans le cadre d’un projet, toutes les conduites n’ont pas à être analysées avec un logiciel comme CAESAR II.

Voici un aperçu des conduites qui, en général, sont analysées dans les différents types d’industries :

Toutes les conduites connectées à :

• des turbines à vapeur;
• des compresseurs ou des pompes à piston;
• des réacteurs;
• des générateurs de vapeur.

Les conduites de 3 po de diamètre et plus connectées à :

• des équipements rotatifs, comme les pompes centrifuges.

Les conduites de 4 po de diamètre et plus connectées à :

• des refroidisseurs à air (air coolers);

• des appareils sous pression;

• des échangeurs de chaleur.

Les conduites :

• connectées à un équipement ou à des supports de tuyauterie qui subiront un tassement du sol important (settlement) ou une différence marquée de tassement du sol entre l’équipement et les supports de tuyauterie;

• ayant une température inférieure à -6 °C (20 °F);

• utilisées en service cryogénique;

• dont la pression de conception est très élevée (c’est-à-dire supérieure à la capacité des brides du code ASME B16.5 class 2500);

• assujetties à un chargement cyclique sévère (ou severe cyclic service, selon le code ASME B31.3);

• dont le rapport diamètre du tuyau sur l’épaisseur de mur est plus grand que 90;

• à paroi mince (SCH 10 et moins) et dont le diamètre est de 12 po et plus;

• nécessitant un joint d’expansion;

• enterrées (avec une température ou une pression élevée);

• à double paroi (jacketed piping);

• contenant des liquides ou gaz toxiques qui peuvent être dangereux pour l’humain ou l’environnement (catégorie M selon le code ASME B31.3);

• munies de soupapes de sûreté ayant un diamètre de 2 po et plus;

• avec écoulement à deux phases.

Voici les trois étapes principales à suivre dans le logiciel afin de réaliser une analyse de contraintes :

Avant d’entreprendre la modélisation dans le logiciel, il faut colliger les renseignements suivants sur le système de tuyauterie à modéliser :

• Les dessins du cheminement de la tuyauterie;

• Les schémas de tuyauterie et d’instrumentation (P&ID;

• Les spécifications de la tuyauterie afin de connaître :

^{- le matériel de la tuyauterie;}

^{- l’épaisseur de mur des tuyaux;}

^{- la surépaisseur de corrosion;}

^{- le type de valves ou d’accessoires sur la tuyauterie;}

^{- la classe des brides;}

^{- l’épaisseur et le type d’isolant.}

• La liste des conduites afin de connaître :

^{- la pression de conception et de test hydrostatique;}

^{- les températures d’exploitation, de conception et de condition anormale (upset);}

^{- le type de fluide.}

• Les dessins de structure pour connaître les différents endroits où il est possible d’installer des supports de tuyauterie;

• Les dessins des équipements;

• Les dessins de la tuyauterie existante, si la nouvelle tuyauterie se raccorde à celle-ci;

• Le coefficient sismique, si une analyse sismique doit être effectuée;

• La pression du vent en fonction de l’élévation, si une analyse de vent doit être effectuée.

Cette étape consiste à entrer dans le logiciel tous les cas de chargement nécessaires pour faire une analyse des résultats adéquate et respecter les exigences du code de tuyauterie.

L’étape de l’analyse des résultats consiste à vérifier le système de tuyauterie pour tous les cas de chargement.

Les systèmes de tuyauterie sont composés de nombreux éléments. Or, la défaillance d’un seul élément peut mener à l’arrêt complet d’une installation ou, pire, à de graves accidents menaçant la santé des travailleur·euse·s et du public. Reconnaissant que la fiabilité et la sécurité des systèmes sont des enjeux prioritaires pour l’industrie, BBA a développé sa propre expertise dans l’analyse des contraintes dans la tuyauterie.