Dimensionnement des disques de ruptures et soupapes - DEKRA Process Safety

Dimensionnement des disques de ruptures et soupapes - DEKRA Process Safety

Les soupapes et disques de rupture font partie des barrières les plus employées dans l’industrie de procédé. Ils peuvent assurer la protection de réacteurs, de réservoirs de stockage, de colonnes à distiller, de sécheurs ou d’autres équipements de procédé. Lorsqu’ils sont conçus et exploités correctement, de tels systèmes peuvent être un bon compromis coût / fiabilité.

Un dimensionnement correct, une maintenance et une inspection rigoureuse de ces systèmes d’évacuations des surpressions sont essentiels pour assurer la sécurité du personnel et de l’environnement et pérenniser la disponibilité des installations. Cependant, nous continuons à observer des incidents qui mettent en jeu des défaillances pouvant survenir tout au long du cycle de vie de ces systèmes.

Les disques de rupture & soupapes doivent être dimensionnés par rapport à l’équipement concerné, mais aussi vis à vis du procédé mis en jeu (produits, conditions opératoires, dangers propres, ...); une taille « standard » sélectionnée par une ingénierie ou fournisseur d’équipement sera souvent insuffisante, à moins que tous les aspects aient été entièrement pris en compte.

Le dimensionnement doit tenir compte de tous les scénarios crédibles de génération de pression, y compris les réactions d’emballement thermique, les décompositions chimiques ou l’incendie extérieur, ainsi que des scénarios de surpression physique (défaillance des systèmes de contrôle, perte d’électricité, dilatation thermique de liquides...).

 

Procédure de dimensionnement

L’état de l’art des méthodes de conception et dimensionnement des disques de rupture et soupapes de sécurité est basé sur différentes normes internationales

  • Le standard international ISO 23251:2006 Petroleum, petrochemical and natural gas industries – Pressure-relieving and depressuring systems [1] pour toutes les cuves ayant une pression de calcul supérieure à 1bar relatif.
  • The international standard ISO 28300:2008 Petroleum, petrochemical and natural gas industries – Venting of atmospheric and low pressure storage tanks [2] pour toutes les cuves ayant une pression de calcul inférieure à 1bar relatif.

Et sur les travaux du Design Institute for Emergency Relief Systems (DIERS) – dont DEKRA PROCESS SAFETY est membre.


[1] ISO 23251 :2006 supplements the practice forth in ISO 4126 (all parts) or API RP 520 & 521

[2] This International Standard was developed from the 5th edition of API Std 2000 and EN 14015:2005

 

Identification des scénarios dimensionnants

Certains scénarios – tel le cas feu – sont faciles à identifier, par simple inspection des schémas de procédé ou via des listes telles qu’établies dans les normes (API 521, ISO 4126-10, …). Cette approche « standard » peut ne pas être suffisante et conduire à ne pas identifier des scénarios plus sévères liés à des déviations de procédés ou à des phénomènes d’emballement ou de décomposition.

Dans la plupart des cas, l’identification des scénarios dimensionnant doit se faire via une analyse de risques formelle de type HAZOP.

 

Caractérisation du Scénario et Calcul de la Surface Requise

Pour les systèmes réactifs, le scénario dimensionnant (celui qui génère le plus grand débit) est souvent un emballement ou une décomposition de la masse réactionnelle.

Souvent, des scénarios génèrent des débits à évacuer nettement inférieurs. Il n’est alors pas rare de protéger indépendamment l’équipement contre ces deux types – petit et grand débit via par exemple une soupape et un disque de rupture à des pressions d’ouvertures différentes. Solliciter un organe plus grand peut compromettre sa fiabilité. Dans tous les cas, il est essentiel d’identifier et de documenter tous les scénarios et calculs dans un véritable « dossier soupapes » – qui s’avèrera très utile dans le cadre de modifications.

 

Protection contre des événements exothermiques

Tout organe d’évacuation conçu pour protéger contre un événement exothermique nécessite certaines données minimales pour permettre d’effectuer un dimensionnement valide. Ces données décrivent la cinétique globale, les caractéristiques de thermochimie et propriétés physiques dans les conditions de la décharge. L’acquisition de ces données est réalisée via de la calorimétrie adiabatique dans nos laboratoires pour simuler la condition du phénomène d’emballement et acquérir les paramètres suivants :

  • Les cinétiques de production de chaleur et de gaz lors de l’emballement obtenues à partir d’essais en cellule fermée
  • Augmentation de la pression par effet de tension de vapeur ou génération d’incondensables
  • Les caractéristiques du moussage et de la viscosité du fluide – obtenues à partir de tests dits de « blowdown ».
  • La possibilité de comportement hybride et la mesure des proportions vapeur / gaz pendant toute la durée de la décharge.

Tous ces types de tests ne sont pas toujours nécessaire, le choix des données à acquérir étant déterminé par la nature de la chimie, du milieu et des conditions de procédés.

 

Conception du système de traitement aval

La caractérisation d’un flux monophasique ou multiphasique ne constitue pas la fin de l’étude de conception. Pour des raisons de sécurité et de protection de l’environnement, la destination de la décharge du fluide doit être étudiée. Le risque d’incident secondaire en aval doit être évalué. Les systèmes de traitement aval peuvent être constitués de séparateurs gaz / liquide, de laveurs, de catchtank ou de quench.

La conception de ces équipements de collecte est critique car leur performance conditionne celle de l’ensemble du système de décharge. Très souvent, des calculs de dispersion atmosphérique sont nécessaires pour prouver que, même dans des conditions de dispersion défavorables, les concentrations dangereuses de substances ne seront pas atteintes dans des endroits où du personnel pourrait être présent.

 

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