Chaudronnerie industrielle: appareil à pression

La chaudronnerie industrielle se focalise sur la fabrication de grandes structures métalliques. Ces structures sont donc  des réservoirs, des chaudières, ou des équipements de traitement des fluides. Elle implique la mise en forme, la découpe, le soudage, le pliage et l’assemblage de métaux. Ceci pour créer des structures sur mesure qui répondent aux besoins spécifiques des clients.

L’une des structures métalliques les plus complexe à créer est l’appareil à pression. En effet un appareil à pression  contient du fluide sous pression, de ce fait sa fabrication nécessite une expertise en chaudronnerie.

C’est quoi un appareil à pression ?

Les appareils à pression désignent l’ensemble des équipements et des dispositifs conçus pour produire, fabriquer, stocker ou utiliser des fluides liquides ou gazeux sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cela inclut les équipements sous pression (ESP), tels que définis par les réglementations en vigueur, les récipients à pression simples (RPS), les équipements sous pression transportables (ESPt) et les équipements sous pression nucléaires (ESPn). Les tuyauteries qui assurent le transport des fluides, ainsi que les accessoires sous pression et de sécurité, font également partie des appareils à pression.

Ces appareils sont présents dans notre environnement quotidien, tels que les bouteilles de gaz butane , les cocottes minutes, les extincteurs, ainsi que dans les installations industrielles complexes, comme les réacteurs chimiques, les réservoirs de stockage, les autoclaves et les installations frigorifiques. L’utilisation d’un appareil à pression est très importante dans le milieu industriel pour contrôler et réguler la pression des fluides et des gaz.

En raison de l’énergie emmagasinée, les appareils à pression peuvent présenter des risques importants en cas de défaillance. Par conséquent, leur conception, leur construction, leur utilisation et leur entretien doivent être soumis à des réglementations strictes visant à assurer leur sécurité et leur fiabilité.

Quels sont les équipements sous pression ?

Les équipements sous pression (ESP) sont une catégorie d’appareils à pression définie par les réglementations en vigueur. Ils englobent une grande variété d’équipements utilisés dans différents secteurs industriels. Voici quelques exemples courants d’équipements sous pression :

1. Chaudières : Les chaudières sont des équipements utilisés pour générer de la vapeur à haute pression en chauffant de l’eau. Elles sont utilisées dans de nombreux secteurs tels que l’industrie chimique, l’industrie pétrolière, les centrales électriques, etc.
2. Réservoirs de stockage : Les réservoirs de stockage sous pression sont utilisés pour stocker divers fluides, tels que les gaz comprimés, les liquides liquéfiés ou dissous, les produits chimiques, les carburants, etc. Ils sont couramment utilisés dans l’industrie chimique, l’industrie pétrolière et gazière, les raffineries, etc.
3. Réacteurs chimiques : Les réacteurs chimiques sont des équipements utilisés pour mener des réactions chimiques à des pressions élevées. Ils sont utilisés dans l’industrie chimique et pharmaceutique pour la production de produits chimiques, de médicaments, etc.
4. Échangeurs de chaleur : Les échangeurs de chaleur sont des équipements qui permettent le transfert de chaleur entre deux fluides à différentes températures, sans les mélanger. Ils sont utilisés dans de nombreux processus industriels, tels que les systèmes de climatisation, les raffineries, les centrales électriques, etc.
5. Cuves de gaz : Les cuves de gaz sont des réservoirs sous pression utilisés pour le stockage et la distribution de gaz tels que l’oxygène, l’azote, l’hydrogène, le propane, etc. Elles sont utilisées dans des applications industrielles, médicales et domestiques.
6. Autoclaves : Les autoclaves sont des équipements utilisés pour la stérilisation à haute pression, notamment dans les domaines médical et pharmaceutique.
7. Récipients cryogéniques : Ces récipients sont conçus pour stocker des fluides à des températures extrêmement basses, tels que l’azote liquide, l’oxygène liquide, etc. Ils sont utilisés dans des applications telles que la recherche scientifique, la cryochirurgie, l’industrie de l’électronique, etc.
8. Compresseurs d’air : Les compresseurs d’air à pression sont des appareils qui permettent de compresser l’air, ce qui peut être bénéfique pour diverses applications industrielles et domestiques.
9. Générateurs de vapeur : Les générateurs de vapeur sont des appareils à pression qui produisent de la vapeur à des températures et des pressions élevées.

Il convient de noter que cette liste n’est pas exhaustive et qu’il existe de nombreux autres types d’équipements sous pression utilisés dans diverses industries. Les équipements sous pression sont régis par des réglementations spécifiques visant à garantir leur conception, leur construction, leur utilisation et leur maintenance conformes aux normes de sécurité.

Quelles sont les mesures de pression ?

Il existe différentes unités de mesure pour exprimer la pression. Voici quelques-unes des mesures de pression les plus couramment utilisées :

1. Pascal (Pa) : Le pascal est l’unité de mesure du Système international (SI) pour la pression. Un pascal correspond à une force d’un newton exercée sur une surface d’un mètre carré. Le pascal est une unité de pression relativement petite, et dans de nombreux cas, on utilise des multiples du pascal pour des mesures pratiques.
2. Bar : Le bar est une unité de pression couramment utilisée, en particulier dans les applications industrielles. Un bar équivaut à 100 000 pascals (ou 100 kilopascals). Le bar est utilisé pour exprimer des pressions relativement élevées.
3. Livre par pouce carré (psi) : Le psi est une unité de pression couramment utilisée dans certains pays, notamment aux États-Unis. Un psi représente la force exercée par une livre sur une surface d’un pouce carré. Le psi est souvent utilisé dans les applications liées aux pneumatiques et à l’industrie du pétrole et du gaz.
4. Atmosphère (atm) : L’atmosphère est une unité de pression qui représente la pression atmosphérique au niveau de la mer. Une atmosphère équivaut à environ 101 325 pascals. Cette unité est souvent utilisée comme référence pour comparer des pressions.
5. Torr : Le torr est une unité de pression utilisée principalement en physique et en chimie. Un torr correspond à 1/760ème de la pression atmosphérique standard au niveau de la mer. Il est souvent utilisé pour exprimer des pressions de vide ou des pressions très faibles.

Il existe également d’autres unités de pression telles que le millimètre de mercure (mmHg), le kilogramme-force par centimètre carré (kgf/cm²) et le pascal bar (Pa·bar), utilisées dans des contextes spécifiques.

Il est important de noter qu’il est possible de convertir ces différentes unités de mesure entre elles en utilisant des facteurs de conversion appropriés.

Quels sont les risques des appareils à pression ? 

Les appareils à pression présentent certains risques en raison de l’énergie emmagasinée dans les fluides sous pression. Voici quelques-uns des risques associés aux appareils à pression :

1. Explosion : L’un des risques les plus graves est l’explosion de l’appareil à pression en raison d’une surpression ou d’une défaillance structurelle. Cela peut entraîner des dommages matériels importants, des blessures graves voire la perte de vies humaines.
2. Fuite de fluides : Une fuite de fluides sous pression peut se produire en raison d’une défaillance des joints, des vannes ou des tuyauteries. Les fuites peuvent causer des blessures par éclaboussures, des brûlures chimiques ou des asphyxies en fonction de la nature du fluide.
3. Projection d’objets : En cas de rupture ou d’explosion d’un appareil à pression, des objets ou des débris peuvent être projetés à grande vitesse, représentant un danger pour les personnes à proximité.
4. Feu et incendie : Certains fluides sous pression, tels que les gaz inflammables ou les liquides inflammables, peuvent provoquer un incendie ou une explosion en présence d’une source d’inflammation.
5. Choc thermique : Les variations rapides de température, telles que l’introduction d’un fluide chaud dans un appareil froid ou vice versa, peuvent entraîner des contraintes thermiques excessives et provoquer des fissures ou des déformations de l’appareil.
6. Corrosion et dégradation : Les appareils à pression peuvent être soumis à la corrosion due aux fluides transportés, ce qui peut affaiblir les matériaux et entraîner des défaillances structurales.
7. Risques liés aux équipements auxiliaires : Les accessoires sous pression tels que les vannes de sécurité, les soupapes de décharge, les régulateurs de pression, etc., peuvent également présenter des risques de défaillance, ce qui peut entraîner des surpressions ou des sous-pressions dangereuses.

Il est essentiel de mettre en place des mesures de sécurité appropriées pour prévenir ces risques, notamment des inspections régulières, des tests de pression, des procédures d’exploitation et de maintenance adéquates, ainsi que le respect des normes et des réglementations applicables. La formation des opérateurs et le port d’équipements de protection individuelle (EPI) sont également importants pour réduire les risques associés aux appareils à pression.

Quelle réglementation pour les  équipements sous pression en France?

En France, la réglementation des équipements sous pression est principalement basée sur le Code de l’environnement, notamment les articles R.557-1 à R.557-16, qui transposent les directives européennes relatives aux équipements sous pression. Voici quelques éléments clés de la réglementation des équipements sous pression en France :

1. Équipements sous pression (ESP) : Les équipements sous pression sont régis par les articles R.557-9-1 et suivants du Code de l’environnement. Ces dispositions transposent la directive européenne 2014/68/UE sur les équipements sous pression. Elles établissent les exigences essentielles de sécurité et de conformité pour la conception, la fabrication, la mise sur le marché et l’utilisation des ESP.
2. Récipients à pression simples (RPS) : Les récipients à pression simples sont réglementés par les articles R.557-10-1 et suivants du Code de l’environnement, qui transposent la directive européenne 2014/29/UE sur les récipients à pression simples. Ces dispositions fixent les exigences de sécurité pour la conception, la fabrication, la mise sur le marché et l’utilisation des RPS.
3. Équipements sous pression transportables (ESPt) : Les équipements sous pression transportables sont réglementés par les articles R.557-11-1 et suivants du Code de l’environnement, qui transposent la directive européenne 2010/35/UE sur les équipements sous pression transportables. Ces dispositions établissent les exigences de sécurité pour la conception, la fabrication, la mise sur le marché et l’utilisation des ESPt.
4. Équipements sous pression nucléaires (ESPn) : Les équipements sous pression nucléaires sont régis par les articles R.557-12-1 et suivants du Code de l’environnement. Ces dispositions spécifiques s’appliquent aux équipements sous pression utilisés dans les installations nucléaires et imposent des exigences de sûreté nucléaire supplémentaires.

La réglementation française prévoit également des obligations en matière de suivi en service des équipements sous pression pour assurer leur sécurité tout au long de leur cycle de vie. Les exigences de suivi en service varient en fonction de la catégorie de l’équipement et sont précisées dans les articles R.557-14-1 et suivants du Code de l’environnement.

Processus de fabrication d’un appareil à pression

1. Préparation des matériaux  Les matériaux sont sélectionnés en fonction des spécifications de conception et des normes de sécurité applicables. L’acier, l’acier inoxydable et l’aluminium sont les plus utilisés.
2. Découpe des pièces : Des scies à ruban, des découpeuses plasma ou laser sont  essentiellement utilisés  pour découper les pièces selon les formes requises.
3. Pliage et mise en forme : Les pièces découpées sont ensuite pliées et mises en forme. selon les spécifications de conception. Des machines telles que des plieuses hydrauliques ou des rouleuses donnent aux pièces la forme souhaitée.
4. Assemblage : Les pièces pliées et mises en forme sont ensuite assemblées pour former la structure.  Le soudage à l’arc, le soudage TIG ou le soudage MIG sont utilisés pour assembler les pièces.
5. Tests de pression :Des tests sont effectués pour s’assurer que la structure puisses supporter les pressions de fonctionnement prévues.
6. Finition : Enfin, la structure de l’appareil à pression est nettoyée, peinte et finie selon les spécifications de conception.

Quel logiciel pour la conception d’appareil à pression?

L’appareil à pression nécessite pour sa conception  une collaboration étroite entre les ingénieurs et les chaudronniers industriels. En tout premier lieu on détermine les exigences du client, et à partir de ça on rédige un cahier des charges. Cela sert de guide de conception de l’appareil à pression. En second lieu, les ingénieurs et les chaudronniers industriels élaborent des dessins techniques. Ces dessins comprennent des plans, des schémas, des calculs de contraintes etc.

Il est courant d’utiliser des logiciels de concept pour créer des modèles 3D détaillés.

• AutoCAD : Utilisé dans l’industrie pour la conception de dessins techniques détaillés.
• SolidWorks : Modélise des pièces et des assemblages avec une grande précision.
• ANSYS : Simule le comportement des structures sous différentes conditions de pression et de température.
• COMSOL Multiphysics : Simule des phénomènes physiques complexes tels que la thermodynamique et la mécanique des fluides.
• PV Elite : Permet de concevoir entre autres des réservoirs, des échangeurs de chaleur.

 

Processus de fabrication d’un appareil à pression

1. Préparation des matériaux  Les matériaux sont sélectionnés en fonction des spécifications de conception et des normes de sécurité applicables. L’acier, l’acier inoxydable et l’aluminium sont les plus utilisés.
2. Découpe des pièces : Des scies à ruban, des découpeuses plasma ou laser sont  essentiellement utilisés  pour découper les pièces selon les formes requises.
3. Pliage et mise en forme : Les pièces découpées sont ensuite pliées et mises en forme. selon les spécifications de conception. Des machines telles que des plieuses hydrauliques ou des rouleuses donnent aux pièces la forme souhaitée.
4. Assemblage : Les pièces pliées et mises en forme sont ensuite assemblées pour former la structure.  Le soudage à l’arc, le soudage TIG ou le soudage MIG sont utilisés pour assembler les pièces.
5. Tests de pression :Des tests sont effectués pour s’assurer que la structure puisses supporter les pressions de fonctionnement prévues.
6. Finition : Enfin, la structure de l’appareil à pression est nettoyée, peinte et finie selon les spécifications de conception.

Les codes et certifications d’appareils à pression

En France, les codes de construction d’appareil à pression les plus couramment utilisés sont le CODAP  et le CODETI. Le CODAP sert aux équipements non soumis aux règles de la Directive Européenne des Equipements sous Pression (DESP). Le CODETI est utilisé pour les équipements de transport par canalisation.

Autorité de sûreté nucléaire : L’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) établit des règles strictes pour les appareils à pression utilisés dans l’industrie nucléaire afin de garantir la sûreté et la sécurité des installations.

D’autres normes européennes  et règlements régissent la construction et l’utilisation des appareils à pression. Toutefois des organismes indépendants délivrent les certifications qui garantissent que les appareils à pression sont conforme aux normes. Considérons par exemple la certification CE ou la certification ASME.