Les principes d'isolation sont essentiels pour garantir la sécurité et la fiabilité des systèmes dans les installations pétrolières et gazières. Parmi les méthodes couramment utilisées, l’isolation active et l’isolation par vannes occupent une place primordiale. Ces méthodes visent à prévenir les fuites de fluides et à assurer une maintenance efficace tout en minimisant les risques associés aux environnements à haute pression et haute température. Il est donc crucial de comprendre les différentes techniques d’isolation et leur application dans différents contextes.

Dans de nombreuses situations, l'utilisation d’un dispositif d'isolation actif est nécessaire pour assurer l'intégrité du système. Ces dispositifs sont souvent utilisés en combinaison avec des joints toriques ou des goupilles, notamment lorsque des composants lourds comme des plaques aveugles en forme de huit dépassent les 25 kg. Un choix minutieux doit être fait entre les différentes options disponibles, en tenant compte des contraintes spécifiques liées au poids et à la flexibilité d’utilisation des plaques aveugles. Cette étape est souvent suivie d’une analyse minutieuse par le spécialiste des tuyauteries, qui doit déterminer s’il est plus adapté d’utiliser une section amovible du tuyau.

L’isolation par vannes représente une méthode plus courante, avec plusieurs variantes en fonction des besoins spécifiques du système. Parmi celles-ci, la méthode "Double Block and Bleed" (DBB) est fréquemment utilisée. Elle consiste à placer deux vannes indépendantes avec une section de tuyau entre elles, permettant ainsi de s'assurer que la pression entre les deux vannes est nulle avant d’effectuer toute intervention. Cette solution est idéale pour les systèmes à haute pression, en particulier dans les tuyauteries ANSI Classe 600 et au-dessus, et dans les installations où des risques de contamination de produit peuvent survenir, comme dans les réservoirs de stockage.

Il existe également des variantes de la méthode DBB. Par exemple, le groupe de vannes DBB peut être équipé d'une vanne de ventilation permettant de libérer la pression entre les deux vannes et de vérifier ainsi leur intégrité. Cependant, il est essentiel de noter que la vanne de ventilation doit être correctement dimensionnée, en particulier si le fluide est acide ou si la taille du tuyau dépasse les 20 pouces.

Dans d'autres cas, une isolation par "Single Block and Bleed" (SBB) peut être suffisante, surtout pour des systèmes dont la pression ne dépasse pas un certain seuil. Cette méthode consiste à utiliser une seule vanne de blocage avec une vanne de purge permettant de tester l'étanchéité avant toute intervention sur le système. Toutefois, cette approche est limitée à des situations où les risques sont jugés moins élevés et où les exigences de sécurité ne sont pas aussi strictes.

La méthode "Single Valve Isolation" (SVI) repose sur l’utilisation d’une seule vanne pour réaliser l’isolation. Bien que plus simple, cette technique est souvent insuffisante dans des systèmes où la sécurité est primordiale, car l’intégrité de l’isolation peut être compromise en cas de défaillance de la vanne.

Le choix de la méthode d'isolation dépend en grande partie du type de fluide, de la pression de fonctionnement, et des conditions spécifiques de chaque installation. Par exemple, dans les systèmes manipulant des fluides dangereux ou des produits chimiques corrosifs, l’utilisation de groupes de vannes DBB devient essentielle pour assurer la protection des opérateurs et de l’environnement.

L’isolation des vannes doit être réalisée avec des vannes manuelles fiables, dotées de fonctions de fermeture hermétique. Les vannes automatiques ou celles équipées d’actionneurs ne doivent pas être utilisées comme seules vannes d’isolation, mais peuvent servir en tant que vannes d’isolement en aval d'un groupe DBB. En outre, il est impératif que les vannes de sécurité et les clapets anti-retour ne soient jamais utilisées pour réaliser une isolation, car elles ne garantissent pas une étanchéité suffisante pour les opérations de maintenance ou d’inspection.

Lors de l’utilisation des vannes d'isolation, la gestion de leur verrouillage est également un aspect crucial. Si une vanne est manipulée incorrectement, cela peut entraîner des dommages à l’équipement ou créer des conditions dangereuses. Par conséquent, les vannes d’isolation doivent être verrouillées dans les positions appropriées, soit "ouverte verrouillée" (LO), soit "fermée verrouillée" (LC), afin d’éviter toute opération incorrecte. En outre, si des vannes doivent être opérées dans un ordre précis, un système d'interlock mécanique doit être mis en place pour garantir l'ordre correct des opérations.

Enfin, les choix de dispositifs d'isolation et de verrouillage doivent toujours prendre en compte les spécificités de chaque installation. Les vannes d'isolation doivent être sélectionnées en fonction des exigences de pression et du type de fluide. Pour les systèmes non dangereux, une isolation par SVI ou SBB peut suffire. En revanche, pour les installations manipulant des produits chimiques dangereux ou toxiques, des solutions DBB doivent être privilégiées afin de garantir un maximum de sécurité pour les opérateurs et l'environnement.

Quelles sont les causes et conséquences des défaillances des systèmes de refroidissement et les mesures à prendre pour y faire face ?

Les défaillances locales du système d'eau de refroidissement peuvent avoir diverses origines. Parmi les plus courantes, on trouve : (1) la fermeture accidentelle de la vanne, (2) une défaillance du contrôle automatique, ou (3) un blocage de la phase gazeuse.

Les causes fondamentales de ces défaillances sont multiples et varient en fonction des systèmes impliqués. La défaillance de la pompe de liquide de refroidissement peut être due à une perte d'énergie, une défaillance mécanique ou un manque de vapeur pour les pompes entraînées par vapeur. Une autre cause courante est la défaillance du ventilateur de la tour de refroidissement en raison d'une panne de courant. En outre, la fermeture accidentelle d'une vanne ou la défaillance du contrôle automatique, par exemple en cas de perte d'eau de makeup ou d'un débit de sortie trop élevé, peuvent également entraîner des dysfonctionnements majeurs. Enfin, un approvisionnement insuffisant en eau de refroidissement peut provoquer une baisse du niveau de liquide dans la tour de refroidissement, entraînant une défaillance systématique.

Les conséquences de ces défaillances peuvent être graves. Lorsqu'un processus spécifique manque d'eau de refroidissement, cela peut entraîner une dégradation des performances du système ou même des arrêts de production. L'absence d'approvisionnement en eau pour un collecteur ou pour les échangeurs thermiques en hauteur peut également causer une perte complète de la fonction de refroidissement. Ce type de défaillance est souvent amplifié par des phénomènes tels que l'effet de reflux dans la tour de refroidissement, où une interruption de la circulation peut provoquer un débordement, rendant le système totalement inefficace.

Pour minimiser les risques, il est essentiel de prendre en compte plusieurs mesures dès la phase de conception. L'installation de pompes de secours automatiques, capables de redémarrer en cas de panne, et l'augmentation de la capacité tampon dans la tour de refroidissement peuvent prolonger le temps de réaction des opérateurs. Des alarmes de débit faible sur les canalisations d'approvisionnement en eau de makeup et de refroidissement circulant en dehors du site sont également des solutions efficaces pour prévenir les défaillances.

Le volume de décharge nécessaire dans le système de refroidissement dépend de l'équilibre thermique et du bilan des matériaux à la pression de sortie. En cas de condensation complète, le volume de décharge est égal au volume total de vapeur entrant dans le condenseur. Toutefois, en cas de condensation partielle, il faut prendre en compte la différence entre la vapeur entrant et sortant. Un dysfonctionnement du ventilateur du refroidisseur d'air, par exemple, peut perturber cette dynamique, car la convection naturelle remplace partiellement le refroidissement actif, réduisant ainsi l'efficacité du système. Dans le cas de la fermeture des volets du refroidisseur, la perte de l'effet de refroidissement peut être totale, à moins que des mécanismes automatiques ou manuels de secours ne soient en place.

Un autre aspect à prendre en compte est la présence de phases volatiles ou de composés légers dans les systèmes, comme l'eau, qui peuvent constituer une source de surpression. Le cas de l’eau est particulièrement problématique : lorsque de l’eau s’introduit dans un système thermique, son passage de l’état liquide à gazeux peut entraîner une expansion de volume gigantesque, aggravant la surpression et mettant en péril l'intégrité du système. La conception d’un système doit donc éviter de telles contaminations en réduisant les risques de formation de poches d'eau et en installant des vannes de coupure et des dispositifs de drainage pour protéger l’intégrité du processus.

Lorsqu'il s'agit de la gestion des niveaux de liquide dans les réservoirs, notamment dans les réservoirs tampons ou les réservoirs de processus, des risques d'overflow peuvent se manifester sous des conditions spécifiques. Ces risques sont particulièrement accrus lors des phases de démarrage ou d'arrêt, où les déviations des valeurs normales de température, de densité et de débit rendent les systèmes plus vulnérables. Pour prévenir ces débordements, il est possible d'augmenter la pression de conception du système ou d'installer des systèmes de soulagement capables de gérer les volumes excédentaires de manière sûre.

Les défaillances des vannes de contrôle peuvent également conduire à des situations d’urgence. Bien que les normes de conception, telles que celles stipulées par l'API Std 520, n'exigent pas de dispositifs de décompression en cas de fermeture accidentelle d'une vanne de régulation à l'entrée, la pratique d'ingénierie préfère souvent inclure de telles protections par précaution. Une défaillance de vanne à l’entrée ou à la sortie peut nécessiter l'installation de systèmes de soulagement pour prévenir une surpression et garantir la sécurité de l’installation.

Lors de la conception des systèmes de sécurité et de refroidissement, il est primordial de ne pas se limiter à des solutions de secours simples, mais de tenir compte de tous les scénarios possibles et d'intégrer des dispositifs intelligents qui permettent une réaction rapide et adéquate à des situations d'urgence. L'analyse rigoureuse des risques et des systèmes doit inclure une évaluation complète des défaillances possibles et des solutions de contournement pour assurer une exploitation sûre et fiable du système.

Comment concevoir et calculer un système de venting pour les installations industrielles ?

Dans la conception des systèmes de séparation et de venting pour les installations industrielles, en particulier dans les secteurs liés à l'extraction et au traitement des hydrocarbures, plusieurs facteurs techniques doivent être pris en compte pour assurer la sécurité, l'efficacité et le respect des normes environnementales. L’une des étapes essentielles dans cette conception consiste à déterminer la densité du gaz dans les conditions de fonctionnement. Cette densité peut être calculée à l'aide de la formule (8.9), qui fait appel à la masse moléculaire relative du gaz et à la constante des gaz, R.

La formule est la suivante :

ρv=1000MpRT(8.9)\rho_v = \frac{1000M_p}{RT} \quad (8.9)

Où RR est la constante des gaz (8314 N·m/(kg·K)), et MM est la masse moléculaire relative du gaz. Cette formule permet de déterminer la densité du gaz dans les conditions réelles de l'installation, ce qui est crucial pour la conception du séparateur et du système de venting.

Le calcul du coefficient de traînée CC pour une gouttelette de gaz est également déterminé à l'aide de la formule (8.10), qui repose sur des paramètres comme la viscosité du gaz et la différence de densité entre le gaz et le liquide. La formule générale est la suivante :

C(Re)2=1.307×107D3ρv(ρl−ρv)μ2(8.10)C(Re)_2 = \frac{1.307 \times 10^7 D^3 \rho_v (\rho_l - \rho_v)}{\mu^2} \quad (8.10)

Où μ\mu représente la viscosité du gaz, exprimée en mPa·s. Ce coefficient est essentiel pour évaluer la résistance au mouvement de la gouttelette dans le gaz, impactant directement le calcul de la taille et de l'efficacité des séparateurs.

Lorsque l'on passe au calcul des séparateurs horizontaux, il est impératif de vérifier le diamètre de ces dispositifs après l’application de la formule (8.5). Un contrôle supplémentaire est effectué en utilisant la formule (8.11), qui permet de vérifier que le diamètre du séparateur répond aux exigences pratiques de l'installation :

Dk≥1.13×q+qveφDk(8.11)\sqrt{D_k} \geq 1.13 \times q + \frac{q}{v_e \varphi D_k} \quad (8.11)

Où qq est le débit volumétrique du gaz entrant dans l’installation, et vev_e est la vitesse critique d’écoulement du gaz à l’intérieur du séparateur. Ce contrôle garantit que les séparateurs fonctionneront correctement, même sous des conditions variables de débit et de pression.

En ce qui concerne les séparateurs verticaux, la formule (8.12) est utilisée pour calculer leur diamètre initial, en tenant compte des spécifications indiquées dans la norme industrielle. Ces séparateurs sont particulièrement efficaces pour gérer des flux de gaz complexes et variés, comme ceux générés dans les stations de traitement de gaz et d’hydrocarbures.

Dk=0.0128×qvT(8.12)D_k = 0.0128 \times qvT \quad (8.12)

Il est aussi recommandé que la section transversale du flux de gaz, située au-dessus du niveau maximal de liquide dans un séparateur horizontal, soit au moins trois fois plus grande que la section de l'entrée du tuyau. Quant aux séparateurs verticaux, leur hauteur de gaz phase doit être supérieure ou égale à leur diamètre, et jamais inférieure à 1 mètre.

La conception du système de venting doit également tenir compte de la sécurité et de l'environnement. Lors de l’émission de gaz, notamment dans les systèmes de venting à froid (évacuation atmosphérique) ou à chaud (flammes), il est crucial de respecter plusieurs précautions afin d’éviter les risques d’explosion, de fuite de gaz toxiques ou corrosifs, ainsi que les dangers associés à l'inflammation des gaz évacués.

Le système de flare, ou torche, est une solution incontournable pour la combustion des gaz. Bien que les émissions de gaz par flare soient regrettées en raison de leur impact environnemental, il est souvent difficile de les récupérer en raison de la variabilité de leur volume et de leur composition. Le rôle du flare est de convertir les gaz inflammables ou toxiques en produits moins nuisibles via la combustion. Ce processus permet de maintenir la stabilité de la production tout en protégeant l’environnement et en assurant la sécurité des installations.

La classification des systèmes de flare repose sur divers critères techniques. Selon l’installation des brûleurs par rapport au sol, les flares peuvent être classés en flares surélevés et flares au sol. Les flares surélevés sont particulièrement utilisés dans les stations de traitement de gaz, car ils permettent une meilleure diffusion des gaz brûlés et une réduction de l’intensité de rayonnement thermique. La hauteur des flares peut varier entre 5 mètres et 200 mètres, ce qui offre une grande flexibilité en fonction des spécificités du site.

Le système de flare peut aussi être divisé en plusieurs sous-catégories, telles que les flares sans fumée et les flares à fumée, qui diffèrent par la couleur de la flamme. Les flares à fumée produisent une flamme rouge accompagnée parfois d’une légère fumée noire, tandis que les flares sans fumée génèrent une flamme bleue, presque invisible, ce qui les rend préférables pour les zones sensibles où la visibilité et les émissions de particules sont des préoccupations majeures.

Le choix du type de flare dépend de nombreux facteurs, notamment du débit de gaz à évacuer, des conditions environnementales locales et des exigences de sécurité. Il est donc essentiel de prendre en compte tous ces paramètres lors de la conception du système de venting, afin de garantir son efficacité et sa conformité aux normes de sécurité et environnementales en vigueur.

Quel est l'impact de la réduction de pression et de l'effet de l'énergie cinétique sur la température des systèmes de tuyauterie?

La réduction de pression dans un système peut entraîner des effets thermodynamiques significatifs, en particulier en ce qui concerne la température du gaz et des matériaux constituant les parois métalliques. Dans un processus de réduction de pression, contrairement à un processus de pressurisation, la pression source n'est pas constante et le débit de gaz varie. Cela induit des effets complexes sur la température à différents points du système, influencés notamment par l'énergie cinétique du gaz et l'interaction avec les parois métalliques des tuyaux.

Les gaz, en particulier lorsqu'ils se déplacent à grande vitesse à travers des rétrécissements comme les orifices de restriction de débit, subissent une diminution de température en raison de l'extension adiabatique, ce qui peut provoquer des phénomènes de condensation ou de solidification à des températures extrêmement basses. De plus, lorsque le débit de gaz est élevé, il est important de prendre en compte l'effet de l'énergie cinétique sur la température du gaz. L'énergie cinétique peut engendrer une augmentation de la vitesse du gaz au niveau de l'orifice, provoquant un refroidissement important à l'intérieur de la conduite et affectant la température des parois métalliques.

Dans les systèmes pressurisés, où la température du gaz et la pression sont constantes, le calcul de la température à l'intérieur des tuyaux doit intégrer cette énergie cinétique. Cependant, lorsque la température prédite approche des limites de sélection des matériaux, une analyse détaillée doit être réalisée pour assurer que les matériaux utilisés supporteront les conditions extrêmes sans subir de dégradation.

L'utilisation de logiciels de simulation tels que HYSYS est courante pour prédire le comportement thermique dans ces systèmes. Cependant, ces outils n'incluent pas toujours l'effet de l'énergie cinétique dans leurs bilans énergétiques. Par exemple, dans HYSYS, les prévisions de température en aval d'un orifice de restriction de débit peuvent être excessivement optimistes si l'on ne prend pas en compte cette énergie cinétique. Pour une simulation plus rigoureuse, des outils comme Aspen Flare System Analyzer, qui inclut l'impact de l'énergie cinétique, sont souvent utilisés pour ajuster les résultats et vérifier la température du gaz en aval.

Dans les systèmes complexes où plusieurs vannes et pipelines sont présents, il est crucial de choisir le bon logiciel de simulation. HYSYS Dynamic, bien qu'efficace pour simuler la dépressurisation de gaz purs, présente des limites lorsqu'il s'agit de simuler des systèmes plus complexes, où plusieurs vannes, pipelines et réservoirs interagissent. L'utilisation d'outils spécialisés tels que le logiciel Blowdown, développé par l'Institut royal de technologie de Londres, peut offrir une meilleure analyse pour des systèmes comprenant de nombreux éléments interconnectés.

Lors de la modélisation des systèmes de dépressurisation, il est également essentiel de prendre en compte la gestion des liquides présents dans le système. Lors de la dépressurisation, un liquide contenu dans un réservoir peut s'évaporer, affectant les propriétés thermodynamiques du gaz. Une approche conservatrice consiste à supposer que le niveau de liquide dans les réservoirs est bas, car cela conduit à des températures plus basses pour le fluide et des températures métalliques plus élevées, ce qui offre une meilleure sécurité dans les calculs de conception. Cette approche est particulièrement pertinente dans le cas des systèmes contenant des fluides supercritiques, qui peuvent se condenser et entraîner des problèmes potentiels de gestion thermique.

Les processus de dépressurisation doivent être pris en compte avec une attention particulière à ces détails afin d'éviter les défaillances dues à des températures extrêmes. L’interaction complexe entre la pression, la température, l’énergie cinétique et les matériaux utilisés dans ces systèmes nécessite des calculs précis et des choix éclairés de logiciels de simulation pour garantir que les équipements résistent efficacement à ces conditions sévères.

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