FICHE TECHNIQUE

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USINE DE BOUCHERVILLE

Numéro 72 - nov./déc. 2012

Dans ce numéro :

Vannes sanitaires

Facteurs de sélection et pratiques d'installation

Tuyauterie de procédé :Éléments de base pour le calcul et le dimensionnement

Fiche technique

Tuyauterie de procédé Éléments de base pour le calcul et le dimensionnement

1.

2449 /.2 in s Ft Dgpm VQ

2.

( )( ( )

( )

)s/Ft

gpm

in V

Q•639.0=D

L'écoulement d'un fluide dans un tuyau est défini par trois paramètres de base : le débit (Q), la vitesse (V) et le diamètre de la conduite (D).

3.

( )

( ( )

( )

)2

in

gpm

s/Ft D

Q•408.0=V

Le régime d’écoulement d’un fluide est défini par le nombre de Reynolds ( R

e) et s'exprime en fonction de la vitesse (V), le

diamètre de la conduite (D), la densité (ρ) et la viscosité (µ) du fluide. Plus le nombre de Reynolds est élevé, plus l'écoulement est turbulent.

4. ( ( ) ( ) ( )

( )

)Cp

3Lb/ftins/Ft

e μ

ρ•D•V•124=R

Ce nombre sans unité représente le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. Régime laminaire : ( )3002R ≤

e (mouvement ordonné du fluide sans turbulence)

Régime transitoire : ( )0004R≤3002 ≤e (l'écoulement fluctue entre régime laminaire et régime turbulent)

Régime turbulent : ( )0004≥Re (mouvement hautement désordonné et fluctuations rapides des vitesses)

L'estimation des pertes de charge régulières dans une canalisation droite de100 pieds de longueur en fonction du débit (Q) avec une gravité spécifique de 1, de la vitesse (V) et du diamètre (D):

5.

( )( ( )

( ) ( )

)86.4

in

85.1

s/Ft

85.1

gpm

psi100 D•V

Q•452=PΔ

Pression hydrostatique en fonction de la hauteur de la colonne du fluide (H) et de la gravité spécifique (S.G) du fluide (S.G=1 pour l'eau):

6.

( )(

( ))G.S•H•433.0=P

ftpsi

Estimation approximative des pertes de charges singulières dans les raccords (Coudes à 45o, 90o, Tés, etc.) :

Calculer la longueur équivalente : 7.

( )(

( ))

FtFtD

e•K=L

Où D est le diamètre intérieur du raccord et K le coefficient d'équivalence :

30=k pour Coude à 90o

16=k pour Coude à 45o

20=k pour débit sur coté droit du Tée

60=k pour débit sur branche du Tée

La valeur de ( )Ft

Le

permet alors de calculer les pertes singulières

suivant la formule No.5 ci-dessus.

Estimation des pertes de charges singulières dans les vannes en fonction du débit (Q), du facteur (Cv) des vannes et de la gravité spécifique (S.G) du fluide. Cv est le nombre de gallons par minute d'eau qui traverse la vanne sous une perte de charge de 1 psi, fournie par le fournisseur de la vanne.

8.

( )( ( )

( )

)2

gpmv

2

gpm

psi C

Q•G.S=PΔ

Notez aussi que dans la littérature on trouvera des chartes qui donnent directement les pertes de charges régulières en fonction du débit et du diamètre de la canalisation, ainsi que les pertes singulières en fonction du type de vannes et des raccords. Par manque d'espace pour la présentation de cette information, on ne peut malheureusement les inclure dans cette fiche.

Dans toute installation de procédé industriel, les lignes de tuyauterie sont utilisées pour transporter ou distribuer les fluides liquides ou gazeux à travers les tuyaux ou tubes, les coudes, les tés, les vannes, etc. L'écoulement est réalisé soit naturellement ou de façon forcée, à l'aide de pompes pour les liquides et de ventilateurs pour l'air et les gaz.

Durant l'écoulement des fluides, à travers tous les éléments de tuyauterie, la friction entraîne des pertes de charges. Celles-ci dépendent de la nature et des caractéristiques physiques des fluides transportés : densité, viscosité, etc. Mais aussi des conditions d'opération : température, pression, vitesse d'écoulement, matériaux, rugosité et géométrie des éléments de tuyauterie, débits traités,… Ces pertes de charges comprennent des pertes dites régulières, à travers les canalisations droites et des pertes singulières, exprimées en longueur équivalente de tuyau, au passage à travers des restrictions géométriques, des vannes, des raccords et des autres composantes d'équipement. L'évaluation de l'ensemble de ces pertes est nécessaire pour le dimensionnement des pompes et des ventilateurs.

Une conception gagnante d'un projet de tuyauterie de procédé passe d'abord par le dimensionnement et la sélection adéquate de ses différents éléments, à savoir : canalisation, raccords, vannes, pompes, joints d'étanchéité, filtres, instruments de mesure et de contrôle, supports, etc. Les autres facteurs critiques de succès concernent la fabrication, le montage et l'installation suivant les normes requises et selon les règles de l'art.

De cette façon, l'installation sera sécuritaire, économique, fonctionnelle, fiable et pratique à exploiter et à maintenir. Au total, pareille méthode de travail permettra de minimiser les risques de fuites, de mieux contrôler les coups de bélier, de tenir compte de dilatation potentielle résultant de l'effet des variations de température et de prévoir de l'isolation thermique, des supports adéquats, etc.

Cette fiche technique présente les formules de base simplifiées pour le calcul des différents paramètres qui entrent en jeu pour l'exercice de dimensionnement rapide d'une ligne de tuyauterie industrielle de procédé.

Vannes sanitairesFacteurs de sélection et pratiques d'installation

Par définition, une vanne est un dispositif qui permet de réguler l'écoulement d'un fluide. Utilisée dans une panoplie de domaines industriels et d'applications, le marché pour ce type d'équipement comprend un large éventail de

produits. Taille, fonctions, principe d'opération et système de commande : autant de caractéristiques qui distinguent les produits dans l'offre commerciale internationale.

Compte tenu de l'étendue de ce marché, nous allons concentrer nos propos dans ce numéro du Journal IAI, aux applications de contrôle d'écoulement de produits qui nécessitent l'utilisation de vannes sanitaires. On réfère donc implicitement aux vannes normalement intégrées à l'équipement de procédés des industries agroalimentaire, pharmaceutique et des biotechnologies en général.

Si les ouvrages de tuyauterie sanitaire font aujourd'hui appel à l'installation de vannes de plus en plus grosses, voire de 6'' et plus, force est de constater aussi et surtout que la technologie à la base de ce type de vannes a connu une évolution substantielle au cours des deux ou trois dernières décennies. Qu'on pense seulement aux vannes à double siège, un équipement dont le développement en serait rendu à la 5e génération chez certains fabricants.

Pareille évolution se traduit par un raffinement de l'équipement, notamment sous trois aspects : une technologie plus compacte, de loin plus versatile aussi et qui intègre une base de communication à des fins de commande hautement efficace.

La diversité des produits entraîne évidemment son lot d'exigences quand vient le temps de choisir la bonne vanne pour une application donnée. Sans prétendre couvrir ici

le lustre complet des questions qui se posent, nous résumons dans ce qui suit les facteurs qui s'avèrent les plus importants à prendre en compte dans le processus décisionnel.

Fonction : Système de vanne destiné à l'isolation, à la régulation ou autre application telle la gestion de la direction : converger ou diverger.

Type de fluide : Critère particulièrement important : visqueux ou dilué ? Gazeux ou liquide ? Corrosif ou inerte ? Ces caractéristiques vont affecter les composants et le fonctionnement d'une vanne, notamment son débit.

Débit : Le débit (volumique) est donné par le produit de la vitesse moyenne du fluide par la surface de section de la conduite. Ce paramètre est associé au coefficient de débit, lequel est utilisé dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des vannes.

Conditions physiques : On pense ici surtout aux conditions de pression et de température. La pression différentielle figure notamment parmi les facteurs importants : c'est la pression que doit maintenir la vanne fermée; un paramètre déterminant quant à la capacité d'étanchéité d'une vanne et qui peut éliminer a priori certains types de vannes. De même des applications de hautes, ou de basses températures, auront une influence quant au choix de matériau des composants en raison des risques de fuite s'il y a des différences dans leurs taux de dilatation.

Parmi les autres facteurs, on peut signaler la « flexibilité du procédé » comme caractéristique qui va aussi influencer les choix dans un projet de valves. Le niveau d'intensité dans l'utilisation du système peut par ailleurs s'avérer un aspect critique : dépendamment du domaine d'application, ce facteur peut donner lieu à des exigences particulières en terme de normes à respecter.

S'ajoute enfin à cette liste le mécanisme d'actuation. Dans les applications où ce dispositif est intégré, le mécanisme choisi doit avoir la puissance permettant de lutter contre la pression agissant sur le clapet tout en assurant l'étanchéité de la vanne.

L'installation

Autant le processus décisionnel quant au choix d'un type de valve doit suivre une démarche rigoureuse, autant il est essentiel de s'assurer que l'installation sera réalisée selon une méthode de travail tout aussi rigoureuse. Une mauvaise installation aura nécessairement des effets au niveau de la performance et de la fiabilité.

D'où l'importance des qualifications et de l'expérience de l'installateur. Dans les procédures de soudure par exemple, la capacité d'exécution de joints sanitaires est un prérequis essentiel, tout comme la compétence à bien maîtriser les déformations.

Au niveau structurel, on doit s'assurer que le système de valves soit supporté par la mécanique du montage et non pas par les segments de tuyauteries sur lesquels elles sont placées. De voir aussi à disposer les vannes de manière à pouvoir les voir facilement, les atteindre et les protéger contre tout dégât ou action accidentels. D'éviter de les installer dans des endroits où elles pourraient servir de marchepied ou de support pour acc rocher des ob je ts… Importance aussi de structurer l'ensemble du montage dans u n e p e r s p e c t i v e d e planification de manière à pouvoir supporter des charges supplémentai res en cas d'extensions éventuelles.

Autre point critique : les coups de bél ier. Ces variations de pression p r o v o q u é e s p a r u n e prompte modification du r é g i m e d ' u n l i q u i d e s'écoulant à l'intérieur d'une canalisation.

Quoiqu'il s'agit plus souvent d'une problématique liée au mode d'installation, d'autres facteurs peuvent cependant intervenir, tel le choix du mécanisme d'actuation. Mais en bout de piste ces phénomènes peuvent avoir des conséquences fâcheuses telles que la rupture de canalisations ou encore la détérioration d'appareils traversés par le fluide.

Deux points intéressants à signaler en guise de conclusion. D'une part, on observe aujourd'hui non seulement une évolution technologique très significative des systèmes de vannes au sein de l'industrie en général, mais aussi une connaissance de même qu'une compétence nettement accrue à les utiliser efficacement.

D'autre part, et en contrepartie à cette évolution, la complémentarité des spécialistes du domaine de l'ingénierie mécanique et celui de l'automatisation va de plus en plus s'avérer comme un facteur de succès incontournable dans la conduite des projets. La présence croissante du Groupe IAI sur ce marché illustre bien la portée de ces observations.