Soupapes de sécurité et dispositifs de sécurité des réservoirs cryogéniques

Une soupape de sécurité de réservoir cryogénique empêche la cuve de dépasser sa pression maximale de service admissible. Un réservoir complet forme un système : soupapes primaire et secondaire sur une vanne de commutation, un disque de rupture, et une protection de l'espace annulaire sous vide.

Ces dispositifs existent parce qu'un liquide cryogénique est stocké bien en dessous de son point d'ébullition aux conditions ambiantes. La fuite thermique est continue, donc la montée en pression est l'état normal de la cuve, pas un défaut. Le système de protection de pression empêche cette montée normale de se transformer en défaillance structurelle.

Cet article explique le rôle de chaque dispositif, pourquoi les dispositifs de sécurité ne doivent jamais être isolés, et ce qu'il faut inspecter sur le système de protection de pression d'un réservoir d'occasion.

En quoi consiste le système de soupapes de sécurité d'un réservoir cryogénique ?

Un réservoir cryogénique à isolation sous vide est deux cuves en une. La cuve intérieure contient le liquide sous pression. La calotte extérieure est une enceinte sous vide conçue pour la pression externe, pas pour la pression interne. Les deux nécessitent des protections différentes.

Une configuration standard comprend :

• Une soupape de sécurité primaire sur la cuve intérieure, à ressort et rechargeable, tarée à la pression maximale de service admissible ou en dessous
• Une soupape de sécurité secondaire de capacité égale, afin qu'une soupape puisse être mise hors service sans laisser la cuve sans protection
• Une vanne de commutation portant les deux soupapes de sécurité, disposée de sorte qu'au moins un chemin de détente reste toujours ouvert
• Un disque de rupture, aussi appelé disque éclatant, sur la cuve intérieure comme dispositif de secours non rechargeable
• Un dispositif de sécurité de l'espace annulaire, parfois appelé sécurité de double enveloppe, protégeant la calotte extérieure
• Une tuyauterie d'évent déchargeant en un lieu sûr, à l'écart du personnel et des prises d'air des bâtiments

Les pressions de tarage sont établies par le fabricant selon le code applicable : PED 2014/68/EU avec EN 13458 pour les cuves fixes, EN 13530 pour les cuves transportables, ou ASME Section VIII pour le marché américain. Elles sont enregistrées dans la documentation de la cuve et ne sont pas réglables sur site.

Que fait la soupape de sécurité primaire ?

La soupape de sécurité primaire est le dispositif de travail. Elle s'ouvre lorsque la pression de l'espace vapeur atteint sa pression de tarage, évacue de la vapeur jusqu'à ce que la pression baisse, puis se referme. Sur un réservoir au repos, ou présentant un défaut dans ses circuits de régulation de pression, elle peut s'ouvrir périodiquement. C'est le système qui fait son travail.

Deux points sont souvent mal compris :

• La pression de tarage de la soupape de sécurité est fixée au MAWP de la cuve intérieure ou en dessous, pas à une pression supérieure choisie par l'opérateur. Si un process nécessite une pression de refoulement plus élevée, la réponse est une cuve d'une classe de pression supérieure, pas une soupape différente
• Une soupape de sécurité qui s'ouvre fréquemment est un symptôme, pas une nuisance. Les causes habituelles sont une fuite thermique due à un vide dégradé, un régulateur de mise sous pression bloqué en position ouverte, ou un économiseur qui ne fonctionne pas, et chacune de ces causes doit être investiguée

L'ouverture répétée use également le siège, si bien qu'une soupape ayant beaucoup cyclé peut commencer à suinter en dessous de sa pression de tarage.

Pourquoi y a-t-il une soupape de sécurité secondaire et une vanne de commutation ?

Une soupape de sécurité nécessite des essais périodiques et un remplacement à terme, mais la cuve ne peut pas rester sans protection pendant ces travaux, et vidanger puis réchauffer un réservoir cryogénique pour changer une soupape est une opération de plusieurs jours.

La vanne de commutation résout ce problème. C'est une vanne à trois voies, parfois appelée vanne à double collecteur ou vanne de transfert, avec une soupape de sécurité sur chacune des deux sorties. Sa conception interne fait que le chemin vers au moins une soupape de sécurité reste toujours ouvert, et en position intermédiaire les deux sont raccordées. Elle ne peut pas isoler les deux dispositifs à la fois.

La discipline d'exploitation est simple :

• Déplacez complètement la vanne de commutation d'un côté pour mettre ce train de sécurité en service avant de retirer l'autre soupape
• Ne laissez jamais la poignée en position intermédiaire, sauf si les instructions du fabricant la définissent comme une position d'exploitation
• Les deux soupapes de sécurité doivent avoir la même pression de tarage et la même capacité de détente. Un remplacement n'est pas seulement une question de diamètre de raccordement
• Enregistrez la commutation, afin que l'historique de maintenance montre quel train était en service et à quelle date

À quoi sert le disque de rupture sur un réservoir cryogénique ?

Le disque de rupture est un dispositif non rechargeable, une membrane métallique fine qui éclate à une pression définie et reste ouverte jusqu'à son remplacement. Sa pression de tarage est supérieure à celle de la soupape de sécurité mais reste dans la limite autorisée par le code par rapport au MAWP, si bien que lors d'un événement de surpression normal, la soupape de sécurité agit en premier et le disque reste intact.

Le disque existe pour les événements qu'une soupape à ressort peut ne pas gérer seule :

• Un cas d'incendie, où la chaleur externe produit une génération de vapeur très supérieure aux taux d'évaporation normaux
• Une soupape de sécurité qui ne s'ouvre pas, par exemple à cause de glace dans la sortie
• Une excursion de pression rapide où toute la section de détente est nécessaire immédiatement

Comme un disque éclaté ne se referme pas, le réservoir évacue son contenu jusqu'à dépressurisation complète. C'est un comportement voulu. Le réservoir est alors hors service jusqu'au remplacement de l'ensemble disque par la pièce correcte spécifiée par le fabricant, correspondant à la pression d'éclatement et au support prévu. Un disque de tarage similaire d'un autre fabricant n'est pas équivalent.

Qu'est-ce qui protège l'espace annulaire sous vide ?

Ce dispositif est celui que l'on néglige le plus souvent, et il protège contre un mode de défaillance grave. L'espace annulaire est sous vide poussé et la calotte extérieure est construite pour résister à cette charge atmosphérique externe. Ce n'est pas un appareil sous pression.

Si la cuve intérieure ou une tuyauterie interne fuit, du liquide cryogénique pénètre dans l'espace annulaire, absorbe de la chaleur et se vaporise. La dilatation volumique est très importante, donc l'espace sous vide monte rapidement en pression, et sans chemin de détente, la calotte céderait. Le dispositif de sécurité de l'espace annulaire, généralement une plaque à ressort ou une plaque éclatante avec joint élastomère, se détend à une pression basse, bien inférieure à ce que la calotte pourrait supporter.

Règles pour ce dispositif :

• Il ne doit jamais être peint, scotché, scellé avec un produit d'étanchéité, ni recouvert d'isolant ou de bardage
• Il ne doit jamais être bloqué par de la neige, de la glace, des nids d'oiseaux ou du matériel stocké appuyé contre le réservoir
• Il ne doit pas être retiré pour vérifier le vide, lequel se lit par le piquage d'évacuation dédié
• S'il s'est ouvert, le vide est perdu et le réservoir reste hors service jusqu'à ce que la cause soit trouvée
• Confirmez la présence même du dispositif, car sur des unités anciennes il est parfois absent après une réparation

Un dispositif de sécurité de calotte qui s'est ouvert signale une fuite de la cuve intérieure, un problème différent d'une dégradation lente du vide. Notre article sur la perte de vide dans les réservoirs cryogéniques traite cette distinction.

Pourquoi les dispositifs de sécurité ne doivent-ils jamais être isolés ou bloqués ?

C'est la règle la plus importante sur une installation cryogénique. Un dispositif de sécurité qui ne voit pas la pression de la cuve, ou qui ne peut pas évacuer, n'assure aucune protection, et le réservoir ne donne aucun signe extérieur avant que la pression n'ait déjà monté.

En pratique, l'isolement se produit de façons qui semblent inoffensives :

• Une vanne d'arrêt installée en amont d'une soupape de sécurité et fermée pour stopper une fuite au lieu de la réparer
• Une vanne de commutation laissée dans une position que le fabricant ne définit pas comme une position d'exploitation
• Un capuchon, une bride pleine ou un bouchon posé sur une sortie d'évent pour empêcher la pluie d'entrer
• Une tuyauterie d'évent rallongée avec un tuyau long ou sous-dimensionné, ajoutant une contre-pression pour laquelle la soupape n'a pas été dimensionnée
• Une sortie d'évent gelée car orientée vers le haut et ayant accumulé de l'eau
• Un dispositif de sécurité de l'espace annulaire recouvert pendant une peinture ou un recouvrement

La tuyauterie d'évent mérite attention lors de toute inspection de site. La décharge doit se faire en un lieu sûr, à l'écart des passages, des portes, des prises d'air et de la position de remplissage des citernes, et être auto-drainante pour éviter que la condensation ne s'accumule et ne gèle. Les rejets d'oxygène et d'azote créent un risque d'enrichissement ou d'appauvrissement à la sortie. Lorsqu'une vanne en amont d'un dispositif de sécurité est requise par la conception, elle est verrouillée ou plombée ouverte selon une procédure documentée définie par le code et le fabricant.

À quelle fréquence une soupape de sécurité de réservoir cryogénique doit-elle être testée ou remplacée ?

Il n'existe pas d'intervalle universel unique. Il découle du code applicable et de la réglementation nationale pour la cuve, ainsi que du manuel d'instructions du fabricant pour le dispositif. Pour les cuves transportables, la réglementation de transport fixe le cycle d'inspection périodique, et le travail sur les dispositifs de sécurité s'y inscrit.

Ce qui est constant d'un régime à l'autre, c'est la pratique :

• La pression de tarage est vérifiée sur un banc d'essai par un atelier compétent, ou la soupape est remplacée par une unité neuve certifiée
• Les dispositifs sont plombés après tarage. Un plomb brisé signifie que le tarage n'est plus vérifié
• La pression de tarage n'est jamais ajustée sur site pour résoudre un problème opérationnel
• Les disques de rupture sont remplacés à un intervalle défini ainsi qu'après tout éclatement, car le matériau se fatigue sous cyclage de pression
• Chaque essai, remplacement et commutation est enregistré, avec les certificats conservés dans le dossier de la cuve
• Les contrôles visuels entre les intervalles formels couvrent les sorties d'évent, le dispositif de l'espace annulaire, la corrosion et tout suintement ou formation de glace

Intégrez cela au plan de maintenance planifiée plus large, aux côtés de la mesure du vide qui doit être prise tous les 6 à 12 mois. Notre article sur le calendrier de maintenance des réservoirs cryogéniques explique comment les intervalles s'articulent.

Que faut-il vérifier sur les dispositifs de sécurité d'un réservoir cryogénique d'occasion ?

La protection de pression est l'élément qui, dans une inspection de réservoir d'occasion, installe la confiance ou met fin à la discussion.

• MAWP de la plaque signalétique comparé à la pression de tarage estampillée sur chaque soupape de sécurité, cohérente entre elles et avec le service prévu
• Les deux soupapes de sécurité présentes, de pression de tarage et de capacité identiques, avec des plombs intacts et une identification lisible
• Vanne de commutation manœuvrant sans à-coup sur toute sa course, sans preuve qu'une sortie ait été obturée
• Support de disque de rupture correctement assemblé, avec documentation de la pression du disque
• Dispositif de sécurité de l'espace annulaire présent, non peint, non obstrué et intact
• Tuyauterie d'évent intacte, correctement acheminée et auto-drainante, sans capuchon ni rallonge improvisée
• Certificats du dernier essai ou remplacement de dispositif de sécurité dans le dossier documentaire
• Preuve de l'état du vide, car un vide dégradé maintient le système de sécurité en fonctionnement continu

KAF Cryogenics vend des réservoirs cryogéniques d'occasion certifiés ayant passé inspection, END, et essais de vide et de pression, fournis avec un dossier documentaire et une garantie écrite. Les dispositifs de sécurité sont spécifiés selon le MAWP de la cuve et le code applicable avant livraison.

Questions fréquentes

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