Supports de tuyauterie : défis et solutions

Nov 05, 2023

1 octobre 2020 | Par Scott Feller, AMG Inc.

Les supports de tuyauterie dans les usines de traitement industriel sont souvent plus compliqués qu'on ne le pense généralement. Voici quelques-uns des défis qui peuvent survenir et comment les relever

À un certain niveau, le sujet des supports de tuyaux semble devoir être simple : soutenir le tuyau. Et parfois, c'est aussi simple que cela, mais le plus souvent, ce n'est pas le cas. Dans les usines de traitement industriel, quel que soit le processus ou l'utilité, il existe une myriade de considérations en ce qui concerne les supports de tuyauterie. Des préoccupations telles que la portée maximale autorisée pour les contraintes, les déviations, les vibrations, les harmoniques et la croissance thermique doivent être prises en compte, ainsi que l'interaction entre le tuyau, ses supports et les structures qui supportent ces supports. Que se passe-t-il lorsque des tuyaux de divers matériaux de construction, avec des contraintes admissibles différentes et fonctionnant à des températures différentes partagent un support de tuyaux commun ? Lorsque ces conditions sont soigneusement prises en compte, les supports de tuyauterie appropriés peuvent devenir plus compliqués.

Cet article traite de divers défis de support de tuyau et de certaines façons de surmonter ces défis. Il indiquera également des exemples de supports qui sont soit inefficaces dans la manière dont ils sont utilisés, soit beaucoup plus coûteux à installer qu'une approche plus simple ne le serait.

Les situations impliquant la dilatation thermique et les contractions de la tuyauterie sont très courantes dans les systèmes de vapeur et de condensat, les applications d'eau glacée et cryogéniques, et dans de nombreux autres systèmes de tuyauterie de processus. Ces conduites peuvent présenter plusieurs défis, notamment des charges d'ancrage élevées, des charges de buse sur l'équipement, la géométrie de la boucle de dilatation ou la sélection et le placement des joints de dilatation. L'astuce consiste à choisir judicieusement les points d'ancrage. Souvent, il est nécessaire de créer des ancres à proximité (à moins de 20 pieds environ) des équipements de connexion, tels que des réservoirs ou des pompes, afin que la dilatation ou la contraction thermique entre l'ancre et l'équipement puisse être minimisée et plus facilement contrôlée avec des supports, flexibles jambes, articulations flexibles, ressorts, etc. Les parcours plus longs entre ces ancrages d'extrémité peuvent être difficiles, en particulier dans les racks de tuyaux encombrés. Si des boucles d'extension sont nécessaires, elles peuvent bloquer le routage des lignes adjacentes. L'utilisation d'une boucle ascendante peut résoudre ce problème, mais peut également empêcher le drainage des tuyaux, nécessiter des purgeurs de vapeur supplémentaires ou interférer avec d'autres canalisations, conduits ou conduites électriques au-dessus. Les joints de dilatation linéaires ou axiaux peuvent être une option, mais il faut faire attention à la poussée induite par la pression qui pourrait se produire. Les joints de dilatation à pression équilibrée (ou compensée) sont une bonne option, mais peuvent être coûteux. Idéalement, si le parcours du tuyau a des changements de direction, ils peuvent être utilisés comme pieds flexibles pour permettre la croissance ou la contraction, comme illustré à la figure 1. La distance de dilatation ou de contraction doit être déterminée pour espacer correctement les tuyaux adjacents.

Figure 1. Les longues longueurs de tuyauterie peuvent être compliquées par la dilatation et la contraction thermiques, et les distances doivent être déterminées

Les équipements de traitement, en particulier les appareils à composants rotatifs, tels que les pompes et les compresseurs, sont sensibles aux forces appliquées par la tuyauterie. Une durée de vie réduite du joint et une usure prématurée des roulements peuvent résulter de forces importantes appliquées aux buses. Les réservoirs atmosphériques et les récipients sous pression ont également des limites de charge. Les charges dues à la gravité de la tuyauterie de petit diamètre ne sont généralement pas une préoccupation majeure, mais les charges induites par la dilatation thermique peuvent être énormes. Il existe plusieurs stratégies pour réduire ces charges de buse :

1. Créer des changements de direction dans la conception de la tuyauterie pour permettre la flexibilité et réduire les forces

2. Envisagez de concevoir une source froide dans la tuyauterie lors de l'installation

3. Évaluer l'utilisation de suspensions ou de supports à ressort pour réduire les charges thermiques et de gravité dans différents cas de charge

4. Envisagez un montage flexible de l'équipement de traitement. Souvent, des forces élevées peuvent se produire sur l'aspiration d'une pompe - par exemple, lorsqu'elle est directement connectée à un réservoir avec un morceau de tuyau droit. Alors que la croissance ou la contraction thermique du segment de tuyau peut n'être qu'une petite fraction de pouce, la force nécessaire pour résister à la force générée par la dilatation peut être de plusieurs dizaines de milliers de livres. Laisser la pompe flotter de 1/16e de pouce peut réduire la réaction à un niveau négligeable. Ceci peut être réalisé en montant la pompe sur des supports à ressort, sur une base coulissante ou sur des tiges filetées, leur permettant de se plier.

5. Les joints de dilatation/flexion sont une option pour réduire les charges sur les buses de l'équipement. Malheureusement, ils sont souvent mal appliqués. En raison des forces de poussée de pression créées par le joint, il est très peu probable qu'un joint flexible de type soufflet droit destiné à permettre une compression axiale résolve les forces sur l'exemple d'aspiration de la pompe ci-dessus, à moins que la pression maximale que le système subira (qui est généralement la pression d'essai) est très faible. Cependant, ces types d'articulations peuvent être très bénéfiques dans une configuration à déplacement latéral, comme le montre la figure 2.

Figure 2. Les joints de dilatation peuvent réduire les charges sur les buses des équipements

Parfois, les contraintes d'espace peuvent compliquer les supports à proximité des équipements, et des solutions prêtes à l'emploi doivent être trouvées. Les images de la figure 3 montrent des supports au niveau des aspirations de la pompe dans un système à huile chaude, où le tuyau devait être contrôlé à la fois latéralement et verticalement, mais avait également besoin de liberté pour s'éloigner de l'aspiration de la pompe.

Figure 3. Les supports de tuyaux peuvent permettre un contrôle latéral et vertical, tout en permettant la liberté de croissance

Les ancrages sont des composants essentiels de tout système de tuyauterie de grande taille et sont destinés à résister au mouvement de toutes les forces dans toutes les directions. Ils établissent les limites et les conditions de contrôle pour toutes les autres analyses de contrainte de tuyauterie et de support. Les ancres sont intéressantes en ce sens qu'elles ne sont pas seulement conçues pour supporter des charges appliquées, comme des suspensions et des guides. Au lieu de cela, ils doivent être évalués pour la rigidité ou la rigidité. Par exemple, si une ancre est fixée à la semelle supérieure d'une poutre à semelle large, la rigidité de cette ancre est discutable. Une faible flexion de l'axe et une instabilité en torsion de la poutre peuvent réduire l'efficacité de l'ancrage. Si l'ancre n'est pas relativement rigide, tous les autres calculs de contrainte et de déplacement basés sur cet emplacement d'ancre peuvent être remis en question. Lors de la conception d'un ancrage, il est essentiel que l'ancrage et la structure qui le supporte soient évalués ensemble pour s'assurer qu'ils interagissent ensemble pour atteindre les performances souhaitées.

Des guides sont appliqués pour permettre le mouvement axial, généralement dû à la dilatation ou à la contraction thermique, et pour limiter le mouvement latéral dû aux charges de vent, aux vibrations de l'usine ou même aux forces sismiques. Lorsqu'un tuyau court le long d'un râtelier à tuyaux avec des poutres de support régulièrement espacées, la sélection et l'évaluation des guides sont simples. Pour ces situations, de nombreux guides prêts à l'emploi des fabricants de tuyaux existent. La sélection de guides pour certaines autres conditions peut être plus difficile - par exemple, un tuyau passant à quelques pieds sous l'acier du toit ou verticalement à quelques pieds de l'acier de construction. Dans ces cas, un guide de catalogue prêt à l'emploi ne fonctionnera probablement pas sans entraîner des coûts importants en acier de construction supplémentaire. Une solution peu coûteuse pour des exemples comme ceux-ci consiste à utiliser des colliers de serrage et des entretoises en fer d'angle ou des tiges filetées et des tendeurs pour créer des éléments à deux forces qui fournissent un support dans deux directions, mais permettent un mouvement axial via la légère flexion des deux. membres de la force (figures 4 et 5).

Illustration 4 (à gauche). Les colliers de serrage et les entretoises peuvent fournir un support dans deux directions, tout en permettant un mouvement axial Figure 5 (à droite). Le mouvement axial peut se produire via la légère flexion des guides à deux forces

Les glissières sont appliquées dans des cas très similaires en tant que guides et sont généralement utilisées ensemble dans les applications de dilatation et de contraction thermiques. Les glissières fournissent un support dans une direction (généralement perpendiculaire au tuyau), supportant le plus souvent un tuyau horizontal par le bas. Comme les guides sur un support de tuyaux avec des poutres régulièrement espacées, les glissières peuvent être sélectionnées de manière simple, et il existe de nombreuses glissières prêtes à l'emploi. Ils sont généralement sélectionnés pour permettre deux degrés de liberté, généralement latéral et axial. Mais encore une fois, dans les cas où il n'y a pas de niveau de cadrage uniforme pour supporter les diapositives, les alternatives doivent être étudiées. Dans de nombreux cas, une suspension à chape simple peut être utilisée, tant que la tige de suspension est longue par rapport au déplacement prévu du tuyau.

Adopter une approche pratique des supports de tuyauterie peut simplifier la conception du système de support et peut généralement rendre les supports moins coûteux. Voici quelques exemples de supports pas si pratiques, ainsi qu'une brève explication de la raison pour laquelle ils ne sont pas pratiques et une meilleure alternative à l'exemple.

Poteau haut avec glissière de tuyau, guide ou ancre sur le dessus. Un poteau haut subira probablement une déviation relativement importante au sommet, en fonction des propriétés de section du poteau, et même avec une glissière ou un guide en polytétrafluoroéthylène (PTFE; Téflon) ou en polymère à poids moléculaire ultra élevé (UHMW), il y a est toujours une force de frottement qui sera appliquée au poteau (Figure 6).

Figure 6. Un poteau haut avec une glissière de tuyau, un guide ou un ancrage au sommet est susceptible de subir une déflexion relativement importante au sommet

L'approche pratique consiste à évaluer le déplacement attendu qui a nécessité la glissière ou le guide, et à vérifier si le poteau et sa fixation inférieure (soudure ou ancrages de plaque de base) peuvent tolérer cette déviation et ce moment de flexion. Si c'est le cas, la glissière ou le guide n'est probablement pas nécessaire et un simple boulon en U peut suffire (Figure 7).

Figure 7. Si le poteau peut tolérer la flexion, une pince à boulon en U peut fonctionner comme support de tuyau

Dans le cas d'un ancrage sur un poteau haut, l'ancrage doit être évalué pour la rigidité du poteau afin de s'assurer que la déviation résultante ne crée pas de problèmes dans le reste du système de tuyauterie. Et encore une fois, un boulon en U peut être en mesure de transférer toute la charge que le poteau peut supporter. La stabilité au flambement de l'appui doit être prise en compte dans tous les cas, mais surtout si le poteau n'est pas un élément à section fermée.

Poteau haut avec un porte-à-faux et soit une glissière de tuyau, un guide ou un ancrage. Ce cas est très similaire à celui qui vient d'être décrit et est couramment observé dans les zones d'usines modernisées ou agrandies. Les principes sont les mêmes, mais avec une torsion du tenon ajoutée (Figure 8).

Figure 8. Une préoccupation entourant les poteaux hauts avec porte-à-faux concerne la torsion du poteau

Le support est probablement suffisamment flexible pour que des glissières ou des guides ne soient pas nécessaires, et cela peut facilement être prouvé en comparant le déplacement attendu du tuyau à la déviation résultant de la force de frottement calculée de la glissière/guide. Si la force de friction est suffisante pour dévier le support à un degré égal ou supérieur au déplacement prévu du tuyau, la glissière ou le guide ne devrait pas être nécessaire, car le support se pliera avant que la glissière ou le guide ne commence à se déplacer. Encore une fois, la stabilité au flambement de l'appui doit être prise en compte, en particulier si le poteau n'est pas un élément à section fermée.

Cintre à tige filetée longue et rouleau de tuyau réglable. C'est un autre cas que l'on voit couramment, et comme dans le cas du poteau haut, la rigidité du cintre à tige filetée n'est probablement pas suffisante pour fournir la résistance nécessaire pour faire rouler le rouleau, de sorte que le rouleau agira simplement comme un coûteux support de chape (Figure 9).

Figure 9. La rigidité d'un support de tige, comme celui illustré ici, ne fournira probablement pas la résistance au roulement du rouleau

La conception et l'ingénierie des supports de tuyauterie, comme tous les autres domaines de l'ingénierie dans une usine industrielle, peuvent être difficiles. Avec un peu de compréhension des différentes situations, et en n'ayant pas toujours recours à une solution standard, la conception peut souvent être rendue plus simple, plus fiable, moins coûteuse et plus facile à installer.

Edité par Scott Jenkins

Scott Feller est le vice-président exécutif des opérations chez AMG, Inc. (1497 Shoup Mill Rd, Dayton, OH, 45414 ; Téléphone : 937-260-4630 ; E-mail : [email protected]). AMG, Inc. est une société de conseil en ingénierie à service complet qui fournit une large gamme de services d'assistance à la conception et à la construction pour divers segments de traitement chimique et de l'industrie lourde connexes.