Prvs 1. introduction aux moyens de protection contre les surpressions rev8

1. Introduction aux moyens de
protection contre les surpressions
Présenté par
David Alexandre

Fondamentaux
Introduction aux moyens de protection contre les surpressions

L’enceinte sous pression et l’obturateur
▪ Dès que l'humanité a pu faire bouillir de l'eau pour créer de la vapeur, la
nécessité de dispositifs de contrôle et de sécurité est devenue une évidence.
▪ Les premiers chaudrons en terre cuite n'étaient pas par nature adéquat pour
l'eau bouillante. Il y a plus de 3000 ans, la dynastie Shang (1600-1046 av. J.-C.)
vit donc émerger les premiers chaudrons en bronze, à trois (voire quatre)
pieds et un couvercle simplement posé.
▪ Afin de mieux contrôler la vapeur générée dans le chaudron, les Chinois
eurent l'idée, il y a environ 2000 ans, d'articuler le couvercle. Cela le rendit
solidaire du corps et pour permit ainsi une production (relativement) plus sûre
de vapeur.
Protections contre les surpressions
Chaudron à couvercle articulé
Chaudron de la dynastie Shang
(1600-1046 av. J.-C)

La machine à vapeur
▪ Au début du 14° siècle, les chimistes utilisent des bouchons coniques. Plus
tard, des ressorts comprimés sont utilisés sur des récipients sous pression.
▪ Denis Papin (Français, 1647 – 1712), installé à Londres, crée la machine à
vapeur avec la première véritable soupape de sureté (1680). La machine,
appelé le Digesteur, servait à cuire les viandes. L’organe obturateur,
développé pour être un dispositif de contrôle de pression, se trouve être par
nature une soupape de sûreté à contre-poids.
Denis Papin (1647- 1712)
Le Digesteur

Amélioration des performances de machine à vapeur
▪ Sadi Carnot (French - 1796-1832), l’un des premiers inventeurs de la
thermodynamique, permis de comprendre la conversion de la vapeur d’eau en
force de travail.
▪ En 1848, Charles Retchie (Ecossais) inventa la concept de la chambre
d’accumulation. Elle permet d’accroitre la surface de compression et d’appui
dans la soupape de sûreté afin d’obtenir une ouverture soudaine et comprise
dans une étroite marge de surpression. De nos jours cette technologie est
plus que jamais utilisée dans la conception des soupapes de sûreté.
Chambre d’accumulation
Sadi Carnot (1796-1832)

Pourquoi des moyens de protections contre les surpressions ?
▪ Fonction primaire : protéger l’humain et les équipements.
▪ Satisfaire aux exigences des codes et réglementations.

Quels sont les dispositifs de protection contre les surpressions :
▪ Première protection : Robinets de contrôle (CV)
▪ Protection ultimes (si défaillance des CV) : Dispositifs de décharge
▪ Soupapes de sûreté
▪ Conventionnelles
▪ Pilotées
▪ Dispositifs à réarmement
▪ Disques de rupture
▪ Dispositifs à tige de flambage
▪ Combinaison soupape de sûreté et disque(s) de rupture

Soupapes de sûreté
▪ S’ouvre à une pression dite de début d’ouverture
▪ Se referme à une pression dite de fermeture
▪ Avantages :
▪ Concept très sûr si correctement :
▪ Calculé et sélectionné
▪ Utilisé
▪ Entretenu
▪ Versatile – peut être utilisé sur diverses applications.
Soupape de sûreté

▪ Un terme générique qui inclue plusieurs formes.
▪ Terme sûr et englobant :
▪ Soupape de sûreté (SV)
▪ Utilisée pour les fluides compressibles (gaz, vapeur d’eau, vapeurs diverses).
▪ Actionnée par une pression statique.
▪ Ouverture rapide (action pop).
▪ De nos jours, terme utilisé pour les technologies de soupape acceptant gaz et liquide (SRV).
Pleine levée
PDO
Levée
Surpression

▪ Soupape de sûreté
▪ Soupape de décharge (RV)
▪ Utilisée pour les fluides incompressible (liquide).
▪ S’ouvre plus ou moins proportionnellement avec l’augmentation de pression au-delà de la PDO.
Pleine levée
PDO
Levée
Surpression

▪ Soupape de décharge
▪ Soupape de sûreté conventionnelle
▪ Terme utilisé pour les soupapes à ressort pleine levée.
▪ Toute application compressible et incompressible (gaz, vapeur ou liquide).
Soupape de sûreté conventionnelle

▪ Soupape de décharge
▪ Terme utilisé pour les soupapes à ressort pleine levée.
▪ Soupape de sûreté pilotée
▪ La soupape principale est combiné avec et contrôlé par un accessoire au
fonctionnement autonome : le pilote.
▪ Toute application compressible et incompressible (gaz, vapeur ou liquide). Soupape de sûreté pilotée

Dispositifs à réarmement
▪ Disque de rupture
▪ Ouverture instantanée : éclatement d’un disque contenant la pression.
▪ Ne se referme pas (intervention requise).
▪ Avantage : solution à bas coût à l’installation.
Disque entre ses deux brides
Disque éclaté

▪ Dispositif à tige de flambage
▪ Rupture d’une section d’une tige qui maintient une pièce contenant la
pression.
Soupape à tige de flambage

▪ Dispositif à tige de flambage
▪ Combinaison soupape de sûreté et disque(s) de rupture
▪ Eclatement du disque de rupture
▪ La soupape de sûreté s’ouvre immédiatement et décharge la surpression.
▪ La soupape de sûreté se referme à une pression inférieure à la valeur
d’éclatement du disque de rupture.
▪ Avantages
▪ Protection contre la corrosion de la soupape de sûreté.
▪ Amélioration de l’étanchéité.
Combinaison disque de rupture et soupape de
sureté

Scénarios de surpression
Introduction aux moyens de protections contre les surpressions

▪ Sortie fermée
▪ Pompes et compresseurs.
▪ Réaction chimique.
▪ Début d’une autre source de haute pression.
▪ Apport calorifique de l’équipement associé.
▪ Rayonnement thermique excessif.
PLEIN DEBIT D’ALIMENTATION
ROBINET DE
SORTIE FERMÉ
(DE COMPRESSEUR OU POMPE
Dispositif de
protection contre les
surpressions
Récipient
sous
pression

▪ Sortie fermée
▪ Cas feu
▪ Incident
▪ Accident
Dispositif de
protection contre
les surpressions
RECIPIENT DE
STOCKAGE OU
DE PROCESS

▪ Sortie fermée
▪ Cas feu
▪ Expansion thermique
▪ Rayonnement solaire.
▪ Rayonnement thermique.
TRONCON DE TUYAUTERIE OU RECIPIENT
Dispositif de
protection contre
les surpressions

▪ Sortie fermée
▪ Cas feu
▪ Expansion thermique
… toujours considérer le cas le plus défavorable !!!

Terminologie
Introduction aux moyens de protection contre les surpressions

Terminologie
▪ Pression maximum amissible (PMA ou PS)
▪ Applicable à l’équipement à protéger.
▪ Quelquefois remplacé par « pression de design » après un remaniement de l’unité.
▪ Valeur usuellement sélectionnée pour la pression de début d’ouverture des soupapes de sûreté ou la pression
d’éclatement des dispositifs à réarmement.

Terminologie
▪ Pression de début d’ouverture (PDO)
▪ Applicable à la soupape de sûreté
▪ Pression à l’entrée de la soupape de sûreté pour laquelle cette dernière à régler pour s’ouvrir dans les conditions de
process (pression et température).
▪ Usuellement identique à la valeur de PMA de l’équipement à protéger.
▪ Pression d’ouverture
▪ Valeur d’accroissement de pression à l’entrée de la soupape de sûreté à laquelle une mesure de levée du clapet est
possible ou que la décharge devient continue.
▪ Déterminé par la vue, l’ouïe ou le toucher (définition selon API STD 520 partie 1).

Terminologie
▪ Accumulation
▪ Augmentation de pression au-delà de la pression maximum admissible (PMA) du récipient, exprimé en unité de pression
ou en pourcentage de la PMA ou de la pression de design. Les accumulations maximum admissibles sont établis en
fonction des codes applicables pour les urgences opérationnelles et les éventualités d’incendie.
▪ Surpression
▪ Augmentation de pression au-delà de la pression de début d’ouverture (PDO) du dispositif de décharge, exprimée en unité
de pression ou en pourcentage de la PDO. La valeur de surpression est égale la valeur d’accumulation seulement si la
PDO du dispositif de décharge est égale à la PMA du récipient.

Terminologie
▪ ASME B&PV Code / API STD 520
▪ 3% pour les chaudières à vapeur soumis ou non à la flamme avec une seule soupape.
▪ 6% pour les chaudières à vapeur soumis ou non à la flamme avec des soupapes multiples.
▪ 10% pour les récipients non-soumis à la flamme avec une seule soupape.
▪ 16% pour les récipients non-soumis à la flamme avec des soupapes multiples.
▪ 21% pour les éventualités de feu.
▪ EN 764 / ISO 4126
▪ 10% pour les récipients non-soumis à la flamme avec un seul dispositif de décharge ou plusieurs.
▪ Soupapes multiples : 5% pour les récipients avec des dispositifs de décharge multiples (surpression du système de
décharge à 10%).
▪ Eventualité de feu : les normes ISO 4126 et EN 764-7 interprètent la DESP 2014/68/EU (ex DESP 97/23/EC). Elles sont
conformes à la DESP qui stipule qu’en cas de feu extérieur au récipient, la surpression des dispositifs de décharge sera
déterminé par le fabricant du récipient sous pression et/ou l’utilisateur final. Il est dans ce cas uniquement permis de
dépasser les 10% de surpression.

Terminologie
▪ Fermeture
▪ Différence entre la PDO et la pression de fermeture.
▪ Exprimé en pourcentage de la PDO ou en unité de pression.
▪ Pression de fermeture
▪ Valeur de chute de pression à l’entrée de la soupape de sûreté à laquelle l’obturateur rétablit le contact avec le siège ou à
laquelle la levée est nulle.
▪ Déterminé par la vue, l’ouïe ou le toucher (définition selon API STD 520 partie 1).

Terminologie
▪ Pression d’exploitation maximale prévue
▪ Pression maximal durant le fonctionnement normal de l’unité.
▪ Ratio de fonctionnement
▪ Ratio entre la pression d’exploitation maximale prévue et la pression de début d’ouverture (PDO).
▪ Sifflement
▪ Fuite audible ou visible entre le siège et le l’obturateur de la soupape de sûreté qui survient à un niveau de pression
statique à l’entrée de la soupape de sûreté inférieure à la PDO et donc avant ouverture.

Terminologie
PRESSION %
110
100
95
90
PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
PRESSION
DE DÉBUT
D’OUVERTURE
TYPIQUE
PRESSION DE FONCTIONN.
MAXIMUM PRÉVUE
(“OPTMISATION DES COÛTS”)
TOLÉRANCE
DE PDO
PRESSION DE
FERMETURE
TYPIQUE
FERMETURE
% DE PDO
93

Terminologie
Surpression admissible
Dispositif de décharge unique
100 PMA
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
(ÉQUIPEMENT)
USUELLEMENT 110% PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF DE
DÉCHARGE)
PDO
110

Terminologie
100 PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF DE
DÉCHARGE)
(PDO QUASI JAMAIS > PMA
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
110
PDO 90
Ici 22,22 % de
la PDO
Dispositifs de décharge multiples
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
(ÉQUIPEMENT)

Terminologie
Note : non applicable en Union Européenne (voir EN 764-7)
Source : ASME B&PVC Section VIII division 1 + API STD 520 9ème édition
100 PMA
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
avec dispositif
multiples
(ÉQUIPEMENT)
116% de PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 1)
110
SP
116
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 2)
105
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION

Terminologie
Note : non applicable en Union Européenne (voir EN 764-7)
Source : ASME B&PVC Section VIII division 1 + API STD 520 9ème édition
100 PMA
Disp. 1 : Surpression Maximum
Admissible = (116-95)/95 = 22,1 %
Disp. 2 (max 105% MAWP) :
Surpression Max. Admissible = 10%
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 1)
110
PDO
116
105
95
116% de PMA
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
avec dispositif
multiples
(ÉQUIPEMENT)
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 2)

Terminologie
Note: non applicable en Union Européenne sauf accord du fabricant du récipient (voir EN 764-7)
Source: ASME B&PVC Section VIII division 1 (§ UG-133 b) + API STD 520 9ème édition (§ 5.4.3.2
Cas feu & dispositif unique
100 PMA
121% de PMA
PDO
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
pour cas feu
(ÉQUIPEMENT)
121
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF DE
DÉCHARGE)

Terminologie
Note : non applicable en Union Européenne sauf accord du fabricant du récipient (voir EN 764-7)
Source: ASME B&PVC Section VIII division 1 (§ UG-133 b) + API STD 520 9ème édition (§ 5.4.3.3)
100 MAWP
121% de PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 1) 110
SP
121
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF 2)
105
Cas feu & dispositifs multiples
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
pour cas feu
(ÉQUIPEMENT)

Terminologie
Note 1 : non applicable en Union Européenne sauf accord du fabricant du récipient (voir EN 764-7).
Note 2 : Les dispositifs supplémentaires sont utilisés uniquement en sus de ceux calculés et sélectionnés pour les
cas process (non-feu).
Source : API STD 520 9ème édition (§ 5.4.3.4).
100 PMA
121% de PMA
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 1 non-fire)
PDO
121
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 2 utilisé
comme supplém.
cas feu)
110
Dispositif process unique & dispositif supplémentaire
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 1 utilisé pour
le cas feu) ACCUMULATION
ADMISSIBLE
pour cas feu
(ÉQUIPEMENT)PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION

Terminologie
Note : non applicable en Union Européenne sauf accord du fabricant du récipient (voir EN 764-7).
Source : ASME B&PVC Section VIII division 1 (§ UG-133 b) + API STD 520 9ème édition (§ 5.4.3.3)
100 PMA
121% de PMA
110
PDO
121
SURPR. ADM.
(Disp. 1+2
pour cas feu)
105
Dispositifs process multiples & dispositif supplémentaire
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 3 utilisé
comme supplément
116
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 1+2 pour cas
process
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
pour cas feu
(ÉQUIPEMENT)

Terminologie
▪ Contre-pression (CP)
▪ Pression existante à la sortie du dispositif de décharge et résultant d’une pression dans le système de décharge.
▪ La contre-pression est la somme de la contre-pression initiale et la contre-pression engendrée.
▪ CP engendrée
▪ Augmentation de pression à la sortie du dispositif de décharge qui se produit du fait du débit après l’ouverture du
dispositif de décharge.
▪ Selon le code ASME B&PV Code et l’API Std 520, la contre-pression engendrée maximum admissible peut être aussi
élevée que la surpression maximum autorisée.

Terminologie
Source : API STD 520 9ème édition (§ 5.3.3.1.3)
100 PMA
La contre-pression engendrée maximum
admissible est ici de 22,22%.
Contre-pression engendrée
Soupape de sûreté conventionnelle unique
110
PDO 90
Ici 22,22 %
de PDO
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
(ÉQUIPEMENT)
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(DISPOSITIF DE
DÉCHARGE)

Terminologie
Source: API STD 520 9ème édition (§ 5.3.3.1.3)
100 MAWP
116% de PMA
Disp. 1 : Superpression = 16% - CP engendrée maximum admissible = 16 %
Disp. 2 : Superpression = 10% - CP engendrée maximum admissible = 10 %
110
SP
116
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 2)
105
Soupapes de sûreté conventionnelles multiples
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
avec soupapes de
sûreté multiples
(ÉQUIPEMENT)
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 1)

Terminologie
Note : non applicable en Union Européenne sauf accord du fabricant du récipient (voir EN 764-7).
Source : API STD 520 9ème édition (§ 5.3.3.1.3)
100 PMA
121% of MAWP
Dispositif de décharge : Surpression = 21% - CP engendrée maximum admissible = 21 %
110
PDO
121
Cas feu & Soupape de sûreté conventionnelle unique
PROJECTION
VALEUR
ACCUMULATION
ACCUMULATION
ADMISSIBLE
en cas feu
(ÉQUIPEMENT)
SURPRESSION
ADMISSIBLE
(Disp. 1)

Terminologie
▪ Pression existante à la sortie du dispositif de décharge et résultant d’un pression dans le système de décharge.
▪ La contre-pression est la somme de la contre-pression initiale et la contre-pression engendrée.
▪ CP engendré
▪ CP initiale
▪ Pression statique existante à la sortie du dispositif de décharge au moment ou la soupape doit s’ouvrir..
▪ La CP initiale est la résultante de pression dans le système de décharge du fait d’autres sources de pression. Elle
peut être constante (CP initiale minimale) ou variable (CP initiale maximale).
▪ Elle agit comme une force additionnelle à celle du ressort.

Terminologie
Système
protégé
Soupape de
sûreté fermée
VERS LA
TORCHERE
(ATMOSPHERE)
Source de
pression possible
Source de
pression possible
Source de
pression possible

Chapeau fermé
Chapeau ouvert (arcade)
Terminologie
▪ Pression existante à la sortie du dispositif de décharge et résultant d’un pression
dans le système de décharge.
▪ La contre-pression est la somme de la contre-pression initiale et la contre-
pression engendrée.
▪ Soupape de sûreté conventionnelle à chapeau fermé :
▪ CP totale = CP initiale + CP engendrée
▪ Soupape de sûreté conventionnelle à chapeau ouvert :
▪ La CP initiale doit être nulle afin d’éviter les émissions fugitives.

Terminologie
▪ Pression de réglage (à froid)
▪ Pression à laquelle la soupape de sûreté est ajustée pour s’ouvrir sur un banc de
test d’atelier.
▪ La pression de réglage (à froid) inclus des corrections pour les conditions de
service avec des hautes température et / ou avec des contre-pressions.
▪ Chapeau fermé : Pr. réglage = ( PDO – CP initiale minimum ) x facteur de
correction de température
▪ Chapeau ouvert : Pr. réglage = PDO
▪ Soupape de sûreté équilibrée
▪ Chapeau fermé : Pr. réglage = PDO x facteur de correction de température
▪ Chapeau ouvert : Pr. réglage = PDO
Chapeau fermé
Chapeau ouvert (arcade)

Levée du clapet
Simulation de levée du clapet
montrant la surface annulaire
Terminologie
▪ Levée
▪ Course réelle du clapet entre la position fermée et la pleine levée.
▪ ¼ Orifice  < Levée < ⅓ orifice 
▪ Surface de décharge
▪ Surface buse
An = Surface décharge de buse 
= π x D(buse)2 / 4
ou
▪ Surface annulaire
Ac = Circonférence hydraulique de la buse  X lift
= π x D(buse) x levée
Celle qui est la plus petite.
Levée
Position du siège de l’obturateur
Levée (course) et surface annulaire
Position du siège de la buse

Terminologie
▪ Battement
▪ Phénomène d’ouverture et fermeture rapide
▪ Produit des endommagements du siège et quelquefois plus.
▪ Dû à un calcul et / ou une sélection non conforme aux besoins réels.

Se rappeler :
“Une soupape de sûreté est le morceau de métal le plus chère que
vous n’aurez jamais à utiliser !”
Une fois de plus …
“Une soupape de sûreté est le morceau de métal le plus chère que
vous ne devriez jamais avoir à utiliser !”
… avez-vous noté la différence ?
… si oui, l’avez-vous comprise ?

PRV Support SAS
13 rue de l’érable
95540 Méry sur Oise
France
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