Guide d'évaluation de la pression des tuyaux : calculs, graphiques et sélection

Qu’est-ce que la pression nominale des canalisations et pourquoi est-ce important ?

La pression nominale d'un tuyau, officiellement connue sous le nom de pression de service maximale admissible (MAWP), est la pression interne maximale qu'un tuyau peut contenir en toute sécurité à une température spécifiée. Ceci est fondamentalement différent de la pression d’éclatement, qui est la pression à laquelle le tuyau se romprait. MAWP intègre un facteur de sécurité important (généralement 3,5x sur la résistance à la traction ultime selon ASME B31.3), garantissant que le tuyau fonctionne bien dans ses limites structurelles tout au long de sa durée de vie de conception. La sélection de tuyaux avec une pression nominale inadéquate est l'une des causes profondes les plus courantes de défaillances de tuyauterie industrielle, entraînant des fuites, des ruptures catastrophiques et des incidents de sécurité.

Les conséquences d’une sélection incorrecte de la pression nominale peuvent être graves. Un tuyau fonctionnant au-dessus de sa MAWP peut subir une déformation (déformation permanente), un fluage à des températures élevées ou une rupture fragile et soudaine. Dans les installations pétrochimiques, les ruptures de canalisations ont provoqué des incendies, des explosions et des rejets toxiques. La série de codes ASME B31 établit des exigences minimales pour la conception de la pression des conduites dans différentes applications : B31.1 pour la tuyauterie de puissance, B31.3 pour la tuyauterie de procédé, B31.4 pour le transport par pipeline et B31.8 pour le transport de gaz. Comprendre ces exigences du code est essentiel pour une conception de système de tuyauterie sûre et conforme.

Formule de Barlow - Calcul de la pression d'éclatement théorique

La formule de Barlow est l'équation fondamentale pour calculer la pression théorique d'éclatement d'un tuyau :P=2St/D, où P est la pression interne (MPa), S est la contrainte admissible (MPa), t est l'épaisseur de paroi nominale (mm) et D est le diamètre extérieur (mm). Pour le calcul MAWP, la contrainte admissible S est tirée de l'ASME Section II Partie D à la température de conception, et l'épaisseur de paroi t est l'épaisseur nominale moins la tolérance de fabrication moins la tolérance de corrosion. La formule suppose des conditions de paroi mince-(D/t > 10), qui s'appliquent à la grande majorité des programmes de canalisations standard.

Exemple de calcul (formule de Barlow - MAWP théorique) :Pour un tuyau SCH 40 A106 Gr.B de 4 pouces à température ambiante :
OD=114.3 mm, paroi=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B à 38 degrés)
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~ 2 100 psi)

Notez que la formule du code ASME B31.3 (t=PD / 2 (SE + PY)) donne un MAWP inférieur d'environ 10,9 MPa pour le même tuyau en raison de l'inclusion du facteur d'efficacité conjoint E et du coefficient de température Y. Le tableau ci-dessous utilise la formule ASME B31.3 et représente la pression de service conforme au code -. À titre de comparaison, la pression d'éclatement (en utilisant la résistance à la traction minimale S=415 MPa pour A106 Gr.B) serait d'environ 43,7 MPa, ce qui donnerait un facteur de sécurité d'environ 3,0 contre l'éclatement. Cela illustre la nature conservatrice des calculs MAWP. La pression de service réelle doit toujours être inférieure à la MAWP, et la plupart des codes de conception exigent une marge supplémentaire au-dessus de la pression de service normale.

Valeurs de contrainte admissibles par matériau

Les valeurs de contrainte admissibles constituent la base des calculs de pression nominale. Ces valeurs sont répertoriées dans l'ASME Section II Partie D pour des milliers de combinaisons de températures de matériaux-grades-. La contrainte admissible est dérivée du minimum : un-tiers de la résistance à la traction minimale à température ambiante, deux-tiers de la limite d'élasticité minimale à température ambiante ou la résistance moyenne à la rupture par fluage pendant 100 000 heures divisée par 1,5 à des températures élevées.

Notez que la contrainte admissible diminue considérablement à des températures élevées. Cet effet de réduction de température est plus prononcé pour l'acier au carbone, qui connaît une réduction de 40 % entre la température ambiante et 400 degrés. Les aciers alliés comme le P91 conservent une proportion plus élevée de leur résistance à la température ambiante-à des températures élevées, ce qui en fait le choix préféré pour un service à haute-température. Les aciers inoxydables, tout en ayant des contraintes admissibles à température ambiante -plus basses, conservent mieux leur résistance à des températures très élevées supérieures à 600 degrés.

Tableau de pression nominale par programme

Le tableau ci-dessous indique les pressions de service approximatives pour les tuyaux en acier au carbone A106 Gr.B à température ambiante. Ces valeurs sont basées sur l'épaisseur nominale de la paroi et n'incluent pas la tolérance à la corrosion. Les pressions de service réelles varient en fonction des conditions de fonctionnement spécifiques et des exigences du code applicable.

Déclassement de température

Le déclassement en température est la réduction de la contrainte admissible à mesure que la température de fonctionnement augmente. Ce phénomène se produit parce que les métaux perdent de leur résistance à des températures élevées. Pour l'acier au carbone, la contrainte admissible reste relativement constante jusqu'à environ 200 degrés, puis commence à diminuer linéairement. À 400 degrés, la contrainte admissible de l'A106 Gr.B est d'environ 60 % de sa valeur de température ambiante. À 500 degrés, elle chute à environ 40 %.

L'acier inoxydable présente un avantage à très haute température en raison de sa résistance supérieure à l'oxydation et de sa résistance au fluage. Alors que l'acier inoxydable 304 a une contrainte admissible à température ambiante-plus basse que l'acier au carbone (117,2 MPa contre 137,9 MPa), sa contrainte admissible à 600 degrés est d'environ 48 MPa par rapport à zéro pour l'acier au carbone (qui n'est pas autorisée au-dessus de 538 degrés selon le code ASME). Pour les applications à ultra-haute-température supérieure à 600 degrés, des alliages à base de nickel-tels que l'alliage 617 (UNS N06617) sont utilisés, avec des contraintes admissibles de 20 à 30 MPa à 900 degrés.

Exigences de pression ASME B31

Chaque section du code ASME B31 comporte des exigences spécifiques pour la détermination de la pression nominale. ASME B31.1 (Power Piping) régit la tuyauterie dans les centrales électriques et les installations industrielles. Elle nécessite une conception de pression conformément aux règles de l'ASME Section I pour la tuyauterie externe de la chaudière et fournit des équations spécifiques pour les tuyaux droits, les coudes et les branchements. ASME B31.3 (Process Piping) est le code le plus largement utilisé pour les usines chimiques et pétrochimiques. Il utilise l'approche basée sur la formule de Barlow-avec une épaisseur de conception sous pression déterminée par : t=(P x D) / (2(SE + PY)), où E est le facteur de qualité du joint longitudinal et Y est un coefficient dépendant de la température-.

ASME B31.4 (Transport par pipeline) s'applique aux systèmes de pipelines d'hydrocarbures liquides et autres. Il utilise une approche de facteur de conception dans laquelle la contrainte circonférentielle à la pression de conception ne doit pas dépasser un pourcentage spécifié de la limite d'élasticité minimale spécifiée (SMYS) du matériau. Par exemple, un facteur de conception typique de 0,72 signifie que la contrainte circonférentielle est limitée à 72 % de SMYS. ASME B31.8 (Transport de gaz) utilise une approche de facteur de conception similaire, mais avec des facteurs spécifiques à l'emplacement-basés sur la densité de population à proximité du pipeline, allant de 0,72 (rural) à 0,40 (zones urbaines à haute densité-).

Vérification des tests de pression

Les tests hydrostatiques sont la méthode standard pour vérifier l'intégrité de la pression des systèmes de tuyauterie fabriqués. La pression d'essai est généralement 1,5 fois la pression de conception à la température de conception, mais pas moins de 1,5 fois la MAWP à la température d'essai. La pression d'essai doit être maintenue pendant une durée minimale (généralement 10 minutes pour les petits systèmes, plus longtemps pour les grands systèmes) pendant que tous les joints et connexions sont inspectés pour détecter les fuites. Les tests pneumatiques sont utilisés lorsque les tests hydrostatiques ne sont pas pratiques (par exemple, les systèmes qui ne peuvent pas tolérer l'eau, comme l'oxygène ou le service cryogénique). Cependant, les essais pneumatiques comportent de plus grands risques en matière de sécurité en raison de l'énergie stockée dans le gaz comprimé et nécessitent des précautions supplémentaires. Voir notreGuide de test hydrostatique et pneumatique(54) pour les procédures détaillées.

Exigences de pression de l’industrie

L'industrie chimique fonctionne généralement dans des classes de pression allant de 150# à 600#, la plupart des canalisations de traitement générales étant à 150# ou 300#. Les procédés à plus haute pression tels que l'hydrocraquage et la synthèse d'ammoniac fonctionnent entre 900# et 2500#. L'industrie de l'énergie utilise les pressions nominales les plus élevées, avec des cycles de vapeur ultra-supercritiques fonctionnant entre 2 500 # et 4 000 # et des températures allant jusqu'à 620 degrés. Ces conditions extrêmes nécessitent des matériaux fortement alliés comme le P92 et les superalliages à base de nickel. Les pressions des pipelines de pétrole et de gaz se situent généralement dans la plage ANSI 300 à 900, bien que les principales lignes de transport puissent fonctionner à des pressions supérieures à 2 000 psi.

Comment commander par pression nominale

Lors de la commande d'un tuyau pour une application de pression spécifique, fournissez les paramètres suivants pour garantir une sélection correcte : pression et température de conception, milieu fluide (y compris la corrosivité), code applicable (ASME B31.3, B31.1, etc.), tolérance de corrosion requise et toute exigence particulière (service acide, conformité NACE, etc.). L'équipe d'ingénierie de ManufacturerPipe peut vous aider à sélectionner le matériau, le calendrier et le processus de fabrication optimaux pour vos besoins de pression spécifiques. Nous proposons également-une personnalisation de l'épaisseur de paroi non standard pour les applications où les programmes standard sont soit insuffisants, soit sur-spécifiés.

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