Lors de la conception d'un système de tuyauterie sous pression, l'ingénieur chargé de la conception précise souvent que la tuyauterie du système doit être conforme à une ou plusieurs parties du code de tuyauterie sous pression ASME B31. Comment les ingénieurs suivent-ils correctement les exigences du code lors de la conception de systèmes de tuyauterie ?
Tout d'abord, l'ingénieur doit déterminer quelle spécification de conception doit être sélectionnée. Pour les systèmes de tuyauterie sous pression, cela n'est pas nécessairement limité à ASME B31. D'autres codes émis par ASME, ANSI, NFPA ou d'autres organisations gouvernementales peuvent être régis par l'emplacement du projet, l'application, etc. Dans ASME B31, il existe actuellement sept sections distinctes en vigueur.
ASME B31.1 Tuyauterie électrique : cette section couvre la tuyauterie des centrales électriques, des usines industrielles et institutionnelles, des systèmes de chauffage géothermique et des systèmes de chauffage et de refroidissement centraux et de district. Cela comprend la tuyauterie extérieure de la chaudière et la tuyauterie extérieure sans chaudière utilisée pour installer les chaudières ASME Section I. Cette section ne s'applique pas aux équipements couverts par le code ASME des chaudières et appareils à pression, à certaines tuyauteries de distribution de chauffage et de refroidissement à basse pression et à divers autres systèmes décrits au paragraphe 100.1.3 de la norme ASME B31.1. Les origines de la norme ASME B 31.1 remonte aux années 1920, avec la première édition officielle publiée en 1935. Notez que la première édition, y compris les annexes, comptait moins de 30 pages et que l'édition actuelle compte plus de 300 pages.
ASME B31.3 Process Piping : Cette section couvre la tuyauterie dans les raffineries ;les usines chimiques, pharmaceutiques, textiles, papetières, semi-conductrices et cryogéniques ;et les usines de traitement et les terminaux associés. Cette section est très similaire à ASME B31.1, en particulier lors du calcul de l'épaisseur de paroi minimale pour les tuyaux droits. Cette section faisait à l'origine partie de B31.1 et a été publiée pour la première fois séparément en 1959.
ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurry : cette section couvre les canalisations qui transportent principalement des produits liquides entre les usines et les terminaux, et à l'intérieur des terminaux, des stations de pompage, de conditionnement et de comptage. Cette section faisait à l'origine partie de B31.1 et a été publiée pour la première fois séparément en 1959.
ASME B31.5 Tuyauterie de réfrigération et composants de transfert de chaleur : cette section couvre la tuyauterie pour les réfrigérants et les liquides de refroidissement secondaires. Cette partie faisait à l'origine partie de B31.1 et a été publiée pour la première fois séparément en 1962.
ASME B31.8 Systèmes de canalisations de transmission et de distribution de gaz : cela comprend les canalisations pour transporter principalement des produits gazeux entre les sources et les terminaux, y compris les compresseurs, les stations de conditionnement et de comptage ;et tuyauterie de collecte de gaz. Cette section faisait à l'origine partie de B31.1 et a été publiée pour la première fois séparément en 1955.
ASME B31.9 Building Services Piping : Cette section couvre la tuyauterie que l'on trouve couramment dans les bâtiments industriels, institutionnels, commerciaux et publics ;et les habitations à logements multiples qui ne nécessitent pas les plages de taille, de pression et de température couvertes par ASME B31.1. Cette section est similaire à ASME B31.1 et B31.3, mais est moins conservatrice (en particulier lors du calcul de l'épaisseur minimale de paroi) et contient moins de détails. Elle est limitée aux applications à basse pression et basse température, comme indiqué dans ASME B31.9 paragraphe 900.1.2. Celle-ci a été publiée pour la première fois en 1982.
ASME B31.12 Tuyauterie et tuyauterie d'hydrogène : cette section couvre la tuyauterie en service d'hydrogène gazeux et liquide, et la tuyauterie en service d'hydrogène gazeux. Cette section a été publiée pour la première fois en 2008.
Le code de conception à utiliser dépend en fin de compte du propriétaire. L'introduction à la norme ASME B31 stipule : « Il est de la responsabilité du propriétaire de sélectionner la section de code qui se rapproche le plus de l'installation de tuyauterie proposée. »Dans certains cas, "plusieurs sections de code peuvent s'appliquer à différentes sections de l'installation".
L'édition 2012 de la norme ASME B31.1 servira de référence principale pour les discussions ultérieures. Le but de cet article est de guider l'ingénieur concepteur à travers certaines des principales étapes de la conception d'un système de tuyauterie sous pression conforme à la norme ASME B31. Le respect des directives de la norme ASME B31.1 fournit une bonne représentation de la conception générale du système. systèmes ou applications spécifiques, et ne seront pas discutés plus avant.Bien que les étapes clés du processus de conception soient soulignées ici, cette discussion n'est pas exhaustive et le code complet doit toujours être référencé lors de la conception du système.Toutes les références au texte se réfèrent à ASME B31.1, sauf indication contraire.
Après avoir sélectionné le bon code, le concepteur du système doit également passer en revue toutes les exigences de conception spécifiques au système. la chaudière elle-même, la tuyauterie externe de la chaudière et la tuyauterie externe non-chaudière connectée à la tuyauterie de la chaudière ASME Partie I.définition. La figure 2 montre ces limites de la chaudière à tambour.
Le concepteur du système doit déterminer la pression et la température auxquelles le système fonctionnera et les conditions pour lesquelles le système doit être conçu.
Selon le paragraphe 101.2, la pression de conception interne ne doit pas être inférieure à la pression de service continue maximale (MSOP) dans le système de tuyauterie, y compris l'effet de la charge statique. La tuyauterie soumise à la pression externe doit être conçue pour la pression différentielle maximale prévue dans des conditions de fonctionnement, d'arrêt ou d'essai. De plus, les impacts environnementaux doivent être pris en compte. Dans les situations où la dilatation du fluide peut augmenter la pression, les systèmes de tuyauterie doivent être conçus pour résister à l'augmentation de la pression ou des mesures doivent être prises pour soulager l'excès de pression.
À partir de la section 101.3.2, la température du métal pour la conception de la tuyauterie doit être représentative des conditions soutenues maximales attendues. Pour simplifier, on suppose généralement que la température du métal est égale à la température du fluide. Si désiré, la température moyenne du métal peut être utilisée tant que la température de la paroi extérieure est connue. Une attention particulière doit également être accordée aux fluides aspirés à travers des échangeurs de chaleur ou à partir d'équipements de combustion pour s'assurer que les pires conditions de température sont prises en compte.
Souvent, les concepteurs ajoutent une marge de sécurité à la pression et/ou à la température de service maximales. La taille de la marge dépend de l'application. Il est également important de tenir compte des contraintes matérielles lors de la détermination de la température de conception. 800 F peut entraîner la carbonisation du tuyau, le rendant plus fragile et sujet aux défaillances. En cas de fonctionnement au-dessus de 800 F, les dommages de fluage accélérés associés à l'acier au carbone doivent également être pris en compte. Voir le paragraphe 124 pour une discussion complète des limites de température du matériau.
Parfois, les ingénieurs peuvent également spécifier des pressions d'essai pour chaque système. Le paragraphe 137 fournit des conseils sur les essais de résistance. En général, les essais hydrostatiques seront spécifiés à 1,5 fois la pression de conception ;cependant, les contraintes circonférentielles et longitudinales dans la tuyauterie ne doivent pas dépasser 90 % de la limite d'élasticité du matériau au paragraphe 102.3.3 (B) pendant l'essai de pression. Pour certains systèmes de tuyauterie externes autres que la chaudière, le test d'étanchéité en service peut être une méthode plus pratique pour vérifier les fuites en raison de difficultés à isoler des parties du système, ou simplement parce que la configuration du système permet un test d'étanchéité simple lors de l'entretien initial.D'accord, c'est acceptable.
Une fois les conditions de conception établies, la tuyauterie peut être spécifiée. La première chose à décider est le matériau à utiliser. Comme mentionné précédemment, différents matériaux ont des limites de température différentes. Le paragraphe 105 fournit des restrictions supplémentaires sur divers matériaux de tuyauterie. (FAC) est un phénomène d'érosion/corrosion dont il a été démontré qu'il provoque un amincissement important des parois et une défaillance des conduites dans certains des systèmes de tuyauterie les plus critiques. Le fait de ne pas prendre correctement en compte l'amincissement des composants de plomberie peut avoir et a eu de graves conséquences, comme en 2007 lorsqu'un tuyau de désurchauffe de la centrale électrique IATAN de KCP&L a éclaté, tuant deux travailleurs et en blessant gravement un troisième.
L'équation 7 et l'équation 9 du paragraphe 104.1.1 définissent l'épaisseur de paroi minimale requise et la pression de conception interne maximale, respectivement, pour un tuyau droit soumis à une pression interne. processus itératif qui peut également inclure la vitesse du fluide, la perte de charge et les coûts de tuyauterie et de pompage. Quelle que soit l'application, l'épaisseur de paroi minimale requise doit être vérifiée.
Une tolérance d'épaisseur supplémentaire peut être ajoutée pour compenser diverses raisons, y compris le FAC. Des tolérances peuvent être nécessaires en raison de l'élimination des filetages, des fentes, etc. du matériau requis pour fabriquer des joints mécaniques. Selon le paragraphe 102.4.2, la tolérance minimale doit être égale à la profondeur du filetage plus la tolérance d'usinage. ajouté pour tenir compte des joints soudés (paragraphe 102.4.3) et des coudes (paragraphe 102.4.5). Enfin, des tolérances peuvent être ajoutées pour compenser la corrosion et/ou l'érosion. L'épaisseur de cette tolérance est à la discrétion du concepteur et doit être cohérente avec la durée de vie prévue de la tuyauterie conformément au paragraphe 102.4.1.
L'annexe IV facultative fournit des conseils sur le contrôle de la corrosion. Les revêtements protecteurs, la protection cathodique et l'isolation électrique (comme les brides isolantes) sont toutes des méthodes de prévention de la corrosion externe des canalisations enterrées ou immergées. Des inhibiteurs de corrosion ou des revêtements peuvent être utilisés pour prévenir la corrosion interne. Il convient également de veiller à utiliser de l'eau d'essai hydrostatique de la pureté appropriée et, si nécessaire, de vidanger complètement la tuyauterie après l'essai hydrostatique.
L'épaisseur de paroi minimale du tuyau ou le calendrier requis pour les calculs précédents peuvent ne pas être constants sur tout le diamètre du tuyau et peuvent nécessiter des spécifications pour différents calendriers pour différents diamètres. Les valeurs de calendrier et d'épaisseur de paroi appropriées sont définies dans la norme ASME B36.10 Tuyaux en acier forgé soudés et sans soudure.
Lors de la spécification du matériau du tuyau et de l'exécution des calculs décrits précédemment, il est important de s'assurer que les valeurs de contrainte maximales admissibles utilisées dans les calculs correspondent au matériau spécifié. Si un tuyau sans soudure est utilisé pour le calcul, un tuyau sans soudure doit être spécifié. Dans le cas contraire, le fabricant/installateur peut proposer des tuyaux soudés, ce qui peut entraîner une épaisseur de paroi insuffisante en raison de valeurs de contrainte maximales admissibles plus faibles.
Par exemple, supposons que la température de conception du pipeline est de 300 F et que la pression de conception est de 1 200 psig.2″ et 3″. Un fil d'acier au carbone (A53 Grade B sans soudure) sera utilisé.
Ensuite, déterminez les valeurs de contrainte maximales admissibles pour A53 Grade B aux températures de conception ci-dessus à partir du tableau A-1. Notez que la valeur pour le tuyau sans soudure est utilisée car le tuyau sans soudure est spécifié :
Une tolérance d'épaisseur doit également être ajoutée. Pour cette application, une tolérance de corrosion de 1/16 de pouce est supposée. Une tolérance de fraisage distincte sera ajoutée ultérieurement.
3 pouces. Le tuyau sera spécifié en premier. En supposant un tuyau Schedule 40 et une tolérance de fraisage de 12,5 %, calculez la pression maximale :
Le tuyau Schedule 40 est satisfaisant pour un tube de 3 pouces dans les conditions de conception spécifiées ci-dessus. Ensuite, vérifiez 2 pouces. Le pipeline utilise les mêmes hypothèses :
2 pouces. Dans les conditions de conception spécifiées ci-dessus, la tuyauterie nécessitera une épaisseur de paroi plus épaisse que Schedule 40. Essayez 2 pouces. Tuyaux Schedule 80 :
Alors que l'épaisseur de la paroi du tuyau est souvent le facteur limitant dans la conception sous pression, il est toujours important de vérifier que les raccords, composants et connexions utilisés sont adaptés aux conditions de conception spécifiées.
En règle générale, conformément aux paragraphes 104.2, 104.7.1, 106 et 107, tous les robinets, raccords et autres composants sous pression fabriqués selon les normes répertoriées dans le tableau 126.1 doivent être considérés comme adaptés à une utilisation dans des conditions de fonctionnement normales ou en dessous des normes de pression-température spécifiées dans . Les utilisateurs doivent savoir que si certaines normes ou fabricants peuvent imposer des limites plus strictes sur les écarts par rapport au fonctionnement normal que celles spécifiées dans es limites s'appliquent.
Aux intersections de tuyaux, des tés, des traverses, des croix, des joints de branchement soudés, etc., fabriqués selon les normes répertoriées dans le tableau 126.1 sont recommandés. Dans certains cas, les intersections de pipelines peuvent nécessiter des raccordements de dérivation uniques.
Pour simplifier la conception, le concepteur peut choisir de définir des conditions de conception plus élevées pour répondre à la cote de bride d'une certaine classe de pression (par exemple, classe ASME 150, 300, etc.) telle que définie par la classe de pression-température pour des matériaux spécifiques spécifiés dans ASME B16 .5 Brides de tuyauterie et joints de bride, ou des normes similaires répertoriées dans le tableau 126.1. Ceci est acceptable tant que cela n'entraîne pas une augmentation inutile de l'épaisseur de paroi ou d'autres conceptions de composants.
Une partie importante de la conception de la tuyauterie consiste à s'assurer que l'intégrité structurelle du système de tuyauterie est maintenue une fois que les effets de la pression, de la température et des forces externes sont appliqués. L'intégrité structurelle du système est souvent négligée dans le processus de conception et, si elle n'est pas bien faite, peut être l'une des parties les plus coûteuses de la conception.
Le paragraphe 104.8 énumère les formules de code de base utilisées pour déterminer si un système de tuyauterie dépasse les contraintes admissibles du code. Ces équations de code sont communément appelées charges continues, charges occasionnelles et charges de déplacement. La charge soutenue est l'effet de la pression et du poids sur un système de tuyauterie. un cas de charge distinct au moment de l'analyse. Les charges de déplacement sont les effets de la croissance thermique, du déplacement de l'équipement pendant le fonctionnement ou de toute autre charge de déplacement.
Le paragraphe 119 explique comment gérer la dilatation et la flexibilité des tuyaux dans les systèmes de tuyauterie et comment déterminer les charges de réaction. La flexibilité des systèmes de tuyauterie est souvent la plus importante au niveau des connexions d'équipement, car la plupart des connexions d'équipement ne peuvent supporter qu'un minimum de force et de moment appliqué au point de connexion. Dans la plupart des cas, la croissance thermique du système de tuyauterie a le plus grand effet sur la charge de réaction, il est donc important de contrôler la croissance thermique dans le système en conséquence.
Pour tenir compte de la flexibilité du système de tuyauterie et s'assurer que le système est correctement supporté, il est recommandé de supporter les tubes en acier conformément au tableau 121.5. .Minimiser la déflexion du poids propre aide à réduire le risque de condensation dans les tuyaux transportant de la vapeur ou du gaz.Suivre les recommandations d'espacement du tableau 121.5 permet également au concepteur de réduire la contrainte soutenue dans la tuyauterie à environ 50 % de la valeur continue admissible du code.Selon l'équation 1B, la contrainte admissible pour les charges de déplacement est inversement proportionnelle aux charges soutenues.Par conséquent, en minimisant la charge soutenue, la tolérance de contrainte de déplacement peut être maximisée. 3.
Pour s'assurer que les charges de réaction du système de tuyauterie sont correctement prises en compte et que les contraintes du code sont respectées, une méthode courante consiste à effectuer une analyse des contraintes de tuyauterie assistée par ordinateur du système. La figure 4 montre un exemple de modélisation et d'analyse d'une section de pipeline.
Lors de la conception d'un nouveau système, les concepteurs de système spécifient généralement que tous les tuyaux et composants doivent être fabriqués, soudés, assemblés, etc., comme l'exige le code utilisé. Cependant, dans certaines rénovations ou autres applications, il peut être avantageux pour un ingénieur désigné de fournir des conseils sur certaines techniques de fabrication, comme décrit au chapitre V.
Un problème courant rencontré dans les applications de rénovation est le préchauffage des soudures (paragraphe 131) et le traitement thermique après soudage (paragraphe 132). Entre autres avantages, ces traitements thermiques sont utilisés pour soulager les contraintes, prévenir les fissures et augmenter la résistance des soudures. chauffage, le paragraphe 131 indique la température minimale à laquelle le métal de base doit être chauffé avant que le soudage puisse avoir lieu. Pour PWHT, le tableau 132 indique la plage de température de maintien et la durée de maintien de la zone de soudage. Les taux de chauffage et de refroidissement, les méthodes de mesure de la température, les techniques de chauffage et les autres procédures doivent suivre strictement les directives énoncées dans le code. Des effets indésirables inattendus sur la zone soudée peuvent survenir en raison d'un traitement thermique incorrect.
Les coudes de tuyaux sont un autre sujet de préoccupation potentiel dans les systèmes de tuyauterie sous pression. Le cintrage des tuyaux peut entraîner un amincissement de la paroi, entraînant une épaisseur de paroi insuffisante. - traitement thermique de cintrage et/ou post-cintrage. Le paragraphe 129 donne des indications sur la fabrication des coudes.
Pour de nombreux systèmes de tuyauterie sous pression, il est nécessaire d'installer une soupape de sécurité ou une soupape de décharge pour empêcher la surpression dans le système.
Conformément au paragraphe II-1.2, les soupapes de sécurité sont caractérisées par une action de poussoir entièrement ouverte pour le service gaz ou vapeur, tandis que les soupapes de sécurité s'ouvrent par rapport à la pression statique amont et sont utilisées principalement pour le service liquide.
Dans un échappement ouvert, le coude à la sortie de la soupape de sécurité évacue généralement dans le tuyau d'échappement vers l'atmosphère. Généralement, cela se traduira par moins de contre-pression. dans la conduite d'évent, ce qui pourrait provoquer la propagation d'ondes de pression. Au paragraphe II-2.2.2, il est recommandé que la pression de conception de la conduite de refoulement fermée soit au moins deux fois supérieure à la pression de service en régime permanent. Les figures 5 et 6 montrent respectivement l'installation de la soupape de sécurité ouverte et fermée.
Les installations de soupapes de sécurité peuvent être soumises à diverses forces, comme résumé au paragraphe II-2. Ces forces comprennent les effets de dilatation thermique, l'interaction de plusieurs soupapes de décharge s'aérant simultanément, les effets sismiques et/ou vibratoires et les effets de pression lors d'événements de décharge de pression. entrée de tuyau et sortie de tuyau de décharge pour les systèmes de décharge ouverts et fermés. En utilisant ces informations, les forces de réaction à divers points du système d'échappement peuvent être calculées et prises en compte.
Un exemple de problème pour une application à décharge ouverte est fourni au paragraphe II-7. D'autres méthodes existent pour calculer les caractéristiques de débit dans les systèmes de décharge des soupapes de décharge, et le lecteur est prié de vérifier que la méthode utilisée est suffisamment conservatrice. Une telle méthode est décrite par GS Liao dans "Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis" publié par l'ASME dans le Journal of Electrical Engineering, octobre 1975.
L'emplacement de la soupape de sécurité doit maintenir une distance minimale entre le tuyau droit et tout coude. Cette distance minimale dépend du service et de la géométrie du système tels que définis au paragraphe II-5.2.1. structure afin de minimiser les effets de la dilatation thermique et des interactions sismiques. Un résumé de ces considérations et d'autres considérations de conception dans la conception des ensembles de soupapes de sécurité peut être trouvé au paragraphe II-5.
De toute évidence, il n'est pas possible de couvrir toutes les exigences de conception de l'ASME B31 dans le cadre de cet article. Mais tout ingénieur désigné impliqué dans la conception d'un système de tuyauterie sous pression doit au moins être familiarisé avec ce code de conception. Espérons qu'avec les informations ci-dessus, les lecteurs trouveront ASME B31 une ressource plus précieuse et accessible.
Monte K. Engelkemier est le chef de projet chez Stanley Consultants. clients industriels et est membre de l'ASME et de l'Iowa Engineering Society.
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