LES COMPENSATEURS AIDENT A COMPRIMER LES COUTS DE MAINTENANCE

Les vibrations de la pompe peuvent bouleverser la gestion des coûts de maintenance

Lorsque le choix et/ou l’installation des pompes n’est pas assez en adéquation avec les installations adjacentes, ceci peut induire à terme pas mal de coûts de maintenance. Songez plus loin que les heures de travail pour resserrer des boulons détachés par les vibrations. Par exemple, des déchirures peuvent apparaître dans des conduites quand des tensions de matériau surgissent à cause de changements de température et/ou de pression soudaines. Les compensateurs les absorbent, ainsi que d’autres mouvements indésirables, et aident les entreprises à réduire fortement les délais et coûts de maintenance.

 

APPLICATIONS DES COMPENSATEURS

Les compensateurs absorbent les mouvements des tuyauteries, installations et machines. Il s’agit e.a. de mouvements qui entraînent des tensions de matériau, comme la dilatation et la contraction de conduites à la suite de changements de pression et/ou température internes. A hauteur des coudes de conduite, des tensions peuvent apparaître à cause de forces d’inertie, quand on y pousse des fluides à hautes vitesses. Un affaissement local sous une installation ou un mauvais alignement peut induire des tensions de matériau indésirables. Les compensateurs permettent une liaison quasi sans tension entre les conduites et les raccords, appareils et équipements sensibles. Ils font aussi office d’aide à l’assemblage pour les accessoires de conduite tels que les vannes, où ils sont engagés comme pièces de démantèlement ou d’accouplement. Les compensateurs jouent aussi un rôle dans la conception de, p.ex., des compresseurs, des pompes, des moteurs diesel, où ils isolent ou ‘désaccouplent’ les vibrations et le bruit structurel des appareils adjacents. Les nuisances sonores sont aussi absorbées.

 

CONSTRUCTION

Les compensateurs sont constitués d’une combinaison des composants suivants:

• un ou plusieurs soufflets avec une ou plusieurs ondulations, et disposés en une ou plusieurs couches;
• manchons de guidage: protègent les soufflets en interne contre le fluide et abaissent la résistance à l’écoulement (limité);
• tubes de protection ou de guidage: protègent les soufflets en externe contre des dégâts mécaniques, évitent le fléchissement du compensateur;
• raccords: liaison avec des composants adjacents par soudage, brasage, brides ou filetage;
• ‘restraints’: transmettent la tension de pression au(x)soufflet(s), déterminent la flexibilité de mouvement du compensateur via différentes constructions externes possibles (paliers d’articulation, paliers à billes, assemblages en U, constructions à cardan, …).

Soufflet

Via une géométrie ondulatoire, chaque soufflet offre un compromis déterminé entre flexibilité et résistance à la pression. Des ondulations toroïdales (avec bagues de renfort intercalées) sont extrêmement résistantes à la pression, la variante à membrane (essentiellement utilisée dans l’industrie aéronautique) est extrêmement flexible et l’ondulation en forme de lyre offre un équilibre entre flexibilité et résistance à la pression. Pour accroître la résistance à la pression, plusieurs couches peuvent être appliquées dans le soufflet.

MATERIAUX

Le choix du matériau pour le compensateur se base sur les conditions de fonctionnement attendues (températures, pressions, sorte de mouvements, fluide). En principe, on peut choisir le métal, le caoutchouc, le tissu et le PTFE (teflon). Sur les soufflets à parois multicouches, une couche extérieure peut par exemple faire office de couche d’étanchéité aux gaz et être constituée d’un matériau anticorrosion comme le téflon (PTFE). Une couche sous-jacente peut consister en fibre de verre comme isolation et pour ajouter de la durabilité – ou en différentes couches d’isolation pour garantir que le transfert thermique du gaz de fumée reste limité à la température exigée.

Résistance à la chaleur

A des températures supérieures (>550 °C) exigeant une plus grande résistance aux dépôts, on utilise des nuances d’acier résistantes à la chaleur qui disposent des bonnes propriétés de déformation.

Résistance à la corrosion

L’adaptation de l’épaisseur de couche n’est pas une mesure correcte pour contrer la corrosivité. Le matériau pour les couches de soufflet doit être choisi conformément à l’agressivité spécifique du fluide ou de l’environnement immédiat. Sont exigées concrètement des nuances d’acier qui ont au moins le même degré de résistance à la corrosion que la conduite ou les raccords qui y sont reliés. En cas de doute, on doit choisir une qualité supérieure. Les alliages à base de nickel entrent en considération dans bien des cas (pour des cas spéciaux, les alliages peuvent être une alternative).

 

DUREE DE VIE

Pour les compensateurs en caoutchouc, tissu et PTFE, il n’est pas possible d’estimer la durée de vie exacte, parce que trop de facteurs externes y exercent une influence. Pour les compensateurs métalliques, par contre, la durée de vie est exprimée par le nombre de mouvements (cycle) qu’ils exécutent. Les fabricants dressent pour chaque compensateur un tableau qui aide les clients à estimer la durée de vie en fonction du nombre de cycles et du pourcentage effectivement utilisé de la capacité de mouvement maximale.

 

PROCEDURE D’INTEGRATION

Calcul de la dilatation thermique

Les conduites métalliques ont, tout comme tous les matériaux, la propriété de se dilater ou de se rétracter sous l’influence des changements de température. Le calcul de la dilatation exacte dépend de la différence de température, du coefficient de dilatation et de la longueur de la conduite:

D = L x Dt x a
D =  dilatation (mm)
L = longueur totale de la conduite (m)
Dt = différence de température (°C)
a = coefficient de dilatation (mm/m · °C)

Lors du calcul de la dilatation, on doit tenir compte du fait que la température dans la conduite lors de l’installation sera rarement la température la plus basse lors de la mise en service du système de conduites. Le coefficient de dilatation dépend du matériau de la conduite et de la température. Les coefficients de dilatation en fonction des plages de température sont listés dans des tableaux.

Quels mouvements jouent?

Le mouvement axial est la dilatation du système de canalisations qui doit être absorbée par le compensateur dans son axe longitudinal. Les mouvements latéraux sont perpendiculaires à l’axe du compensateur. Lors de mouvements angulaires, les extrémités du compensateur se situent sous un angle. Pour chacun des trois types de compensateurs, la règle veut que, pour utiliser la capacité complète du compensateur, celui-ci peut être précontraint jusqu’à la moitié du mouvement total. Avec les compensateurs angulaires, on utilise, dans la plupart des cas, cette précontrainte, les compensateurs angulaires étant placés par deux ou par trois.

Localisation des compensateurs, points fixes et points conducteurs

Les systèmes de conduites dans lesquels sont installés des compensateurs, doivent être limités par des points fixes. Ceux-ci doivent être suffisamment solides pour absorber les forces de réaction du compensateur et la résistance au frottement des points conducteurs. Les points fixes et points conducteurs doivent être placés de telle sorte que le compensateur ne porte pas le poids des conduites.

Des points fixes doivent être prévus:

• au début et à la fin d’une conduite (ou une partie de la conduite si la dilatation doit être absorbée par plusieurs compensateurs;
• lors du changement du sens de l’écoulement;
• entre deux compensateurs de différents diamètres;
• lors d’une dérivation d’une conduite principale;
• à une extrémité fermée d’une conduite.

Des points conducteurs sont nécessaires pour garantir un alignement correct.

Considération et/ou calcul de la précontrainte

Dans bien des applications, l’intégration des compensateurs avec une certaine précontrainte est préconisée.

Outre éventuellement une durée de vie plus longue ou une force de réaction plus faible, la précontrainte augmente, en effet, la plage de mouvement du compensateur. Le montage d’un compensateur avec une certaine précontrainte implique de monter le compensateur de telle sorte que la position à froid est opposée à la dilatation attendue. Lors de la mise en service, le compensateur revient en position neutre et peut éventuellement encore être comprimé. Quel que soit le type de compensateur, la précontrainte maximale est basée sur 50% de l’enregistrement de mouvement total. Lors du calcul de la précontrainte, il est important de tenir compte, en plus de la différence entre la température d’installation et la température de service, de la différence entre la température d’installation et la température minimale. Par exemple si la conduite serait utilisée dehors par temps de gel.

Calcul de la somme de toutes les forces sur les points fixes

Par sa forme ondulée, le compensateur provoquera une force de réaction sous la pression de service. Les points fixes doivent absorber cette force et également d’autres forces.

 

CALCUL DES FORCES D'ANCRAGE

Force de réaction axiale

Fp = 0,01 · A · p
avec
Fp: force de réaction axiale en kN
A: diamètre effectif en cm²
p: pression en bars

Points d’attention:

Si des essais de pression se déroulent par section pendant la construction d’une vaste tuyauterie et si les solides points d’ancrage final ne sont pas fixés, les compensateurs axiaux doivent être protégés au moyen de limiteurs de mouvement adéquats ou les points d’ancrage intermédiaires doivent être consolidés à l’avenant.

 

Force d’adaptation axiale

F∂ = 0,001c∂ · ∂
avec
F∂: force d’adaptation en kN
c∂: vitesse de la force d’adaptation en N/mm
∂: mouvement total en mm (avec 50% de précontrainte)

Points d’attention:

Pour les systèmes à charnières, les forces d’adaptation sont plus difficiles à calculer que pour les compensateurs axiaux.

 

Force de frottement

La force de frottement totale de la section de conduite entre le système de compensation et le point d’ancrage agit sur chaque point d’ancrage et se calcule comme suit:

FR = ∑FL · KL
avec
FL: charge de l’élément de soutien en kN
KL: coefficient de résistance des éléments d’appui
(valeurs empiriques pour KL:
acier/aciers: 0,2-0,5
acier/PTFE: 0,1-0,2
soutiens roulants: 0,05-0,1)

Points d’attention:

La force de frottement agit en alternance comme force de réaction (lors de l’échauffement) et force de traction (lors du refroidissement). La répartition des composantes de la force de frottement peut être modifiée en modifiant la disposition du système de compensation le long de la section de conduite entre ces points d’ancrage. Quand, par exemple, on place le système de compensation directement près d’un point d’ancrage, ce point d’ancrage ne peut pas absorber la force de frottement – le second point d’ancrage doit compenser toute cette force de frottement de cette section. Quand le système de compensation est en position centrale entre deux points d’ancrage, chacun des points d’ancrage doit absorber la moitié de la force de frottement de la section complète.

 

Force centrifuge

FZ = A · ϱ · v² · sinß / 10.000
avec
FZ: force centrifuge en kN
A: diamètre effectif en cm²
ϱ: densité du fluide en g/cm³
v: vitesse d’écoulement en m/sec
ß:angle de la section de coude en degrés

Points d’attention:

Une force centrifuge considérable ne se produit sur les points d’ancrage de coude des compensateurs axiaux qu’avec les fluides lourds à grande vitesse de courant.

 

Autres forces

Lors du dimensionnement des points d’ancrage, les forces sur le système, le trajet des conduites ou les charges complémentaires doivent être pris en compte:

• poids conduite, fluide et isolation;
• poids dépôt de poussière interne/ext.;
• poids du condensat;
• charge vent et neige;
• forces dues à la déformation de conduites causée par la compensation inadéquate.

Avec la collaboration de: BM Europe, Picotec & Witzenmann