Tuyauteries - Compensateurs de dilatation

La dilatation pose un problème à tout bureau d’études de constructeur d’appareil ou de tuyauteur car on ne peut l’empêcher. Dans un assemblage d’éléments constituant une ligne fermée, toute variation de dimension d’un élément, provoquée par une différence de température et /ou de coefficient de dilatation, doit être retrouvée en grandeur et en direction au niveau de cet élément par le système de déformations résultant de l’état de contrainte exercé sur tous les éléments assemblés. Avant l’arrivée des compensateurs de dilatation sur le marché, les solutions apportées à ce problème étaient les suivantes.

Cette solution n’est envisageable que pour une compensation axiale de la dilatation. Par suite du module d’élasticité élevé des matériaux, la compensation exclusivement par déformation axiale suivant la loi de Hooke n’est pas possible. La solution consiste à supprimer la liaison mécanique en interposant un joint coulissant à presse-étoupe. Ce dispositif permet le déplacement coaxial de ses extrémités, l’étanchéité étant obtenue par un presse-étoupe. Dans cette solution, les difficultés rencontrées résident dans l’étanchéité, le guidage et les efforts développés par les frottements du presse-étoupe et par l’effet de fond dont nous reparlerons plus loin 1.3.1.1.

Dans cette solution, qui ne concerne que les tuyauteries, la dilatation de chaque élément de la ligne est compensée par une déformation en flexion et en torsion des éléments adjacents, ce qui implique un changement de direction de ces derniers. On constitue ainsi, à partir d’éléments droits et de coudes qui ont une flexibilité supérieure à ces derniers, un tracé suffisamment souple pour compenser la dilatation sans contraintes excessives dans les coudes ni efforts trop importants au niveau des ancrages.

Un tracé autodilatable nécessite donc un encombrement important et est rapidement limité en diamètre de tuyauterie par suite des efforts trop élevés qu’il exerce sur le génie civil (à pression constante, les efforts sur les points fixes varient comme la puissance quatrième du diamètre).

Les compensateurs de dilatation ont apporté des avantages aux deux solutions précitées.

Dans le premier cas, la suppression du presse-étoupe a permis d’assurer l’étanchéité du dispositif à compensation axiale.

Dans le second cas, une très grande flexibilité des compensateurs, qui est caractérisée par une capacité de déplacements importants sous de faibles efforts, permet de résoudre les problèmes de dilatation et d’efforts avec un encombrement minimal de la ligne. Un compensateur installé sur une tuyauterie présente les caractéristiques suivantes :

• un coefficient de flexibilité en rotation sous moment de flexion qui est l’équivalent de plus de 200 m d’élément droit de tuyauterie ;

• un grand déplacement angulaire (plusieurs centaines de milliradians) avec des efforts très faibles, exerçant des contraintes de flexion sur le conduit de l’ordre du daN / mm ².

Exemple : pour une tuyauterie de diamètre nominal DN = 450 mm, d’épaisseur 9,52 mm, dimensionnée pour une pression de 40 bar, il est possible de réaliser un compensateur présentant les caractéristiques suivantes :

• longueur équivalente de tuyauterie droite 1 100 m ;

• déplacement angulaire admissible de 200 mrad exerçant sur la tuyauterie (frottement dans les articulations inclus) une contrainte de flexion de 1,25 daN / mm ².

Avec de telles caractéristiques, il est donc possible de réaliser une installation très compacte permettant de réduire les coûts d’investissement et d’exploitation.

Les premiers compensateurs installés en France ont apporté une solution aux problèmes posés par :

• le chauffage urbain, qui a utilisé des compensateurs axiaux pour des tuyauteries rectilignes ;

• la centrale nucléaire de Marcoule, qui a utilisé des compensateurs sans effet de fond pour des tuyauteries de DN = 1 600 mm ;

• les unités de craquage dans les raffineries pour des dilatations très importantes résultant de températures élevées (600 à 700 ^oC).

Bien que les avantages des compensateurs soient reconnus et que, pour certaines applications, ils soient les seuls moyens disponibles, certains utilisateurs potentiels hésitent à les utiliser pour les raisons ci-après :

• les épaisseurs des soufflets, qui, étant jugées trop faibles, conduisent à penser que les compensateurs sont très vulnérables et peu sécurisants ;

• leur détermination et leur mise en œuvre, qui nécessitent la complète connaissance des conditions d’exploitation et de montage ainsi qu’une étude d’installation.

Ce dernier point ne devrait pas être un obstacle, car les règles de sécurité et la législation incitent les différents corps de métiers (exploitants, concepteurs, constructeurs et monteurs) à bien connaître ces problèmes et à se regrouper dans des syndicats abordant ces sujets. Les constructeurs de compensateurs de dilatation ont rédigé des Règles de Construction et d’Utilisation des Compensateurs de Dilatation (RCUCD) publiées par leur syndicat, le SNAM. Pour des applications relevant de la législation, le dimensionnement des soufflets doit répondre à des règles précises qui font intervenir l’épaisseur minimale obtenue sur le produit fini. Ces règles font l’objet d’un document établi le 7/07/1980 par le SNAM (Syndicat National des Articles Métalliques) et le SNCT (Syndicat National de la Chaudronnerie, de la Tôlerie et de la Tuyauterie Industrielle) avec le concours du CETIM (Centre Technique des Industries Mécaniques). Les fabricants de soufflets doivent obtenir un accord préalable du Service des Mines et réaliser des essais conformément aux instructions de la circulaire n^o 17009 du 9/07/1980 de la DQSI (Direction de la Qualité et de la Sécurité Industrielles).

En ce qui concerne le premier point, il est à remarquer que, dans la diversité des modes de fabrication et des épaisseurs de soufflet retenues par le fabricant, l’utilisateur peut trouver le produit qui lui convient le mieux. Il pourra apprécier la résistance du soufflet à la pression à partir de la pression d’éclatement et de la pression d’instabilité communiquées par le fabricant. Pour ce qui concerne une utilisation sur une tuyauterie, le moment de torsion maximal acceptable par le soufflet est également un élément d’appréciation.

L’objet du présent article est de donner une description des compensateurs, d’en préciser les caractéristiques spécifiques et de montrer les principaux cas d’utilisation. Ces renseignements devraient permettre au projeteur de définir les principales données nécessaires aux constructeurs de compensateurs. Le dimensionnement de ce matériel, qui est basé sur des résultats expérimentaux et qui relève de la responsabilité du constructeur, ne sera pas traité dans cet article.