Les mécanismes de défaillance
Le mécanisme de défaillance de la pression externe est différent de celui de la pression interne. Des méthodes différentes sont nécessaires pour concevoir les cuves afin de gérer en toute sécurité ce mécanisme de défaillance.
La défaillance due à la pression interne peut être comprise comme la défaillance d’une cuve après que les contraintes dépassent, en partie ou en grande partie, la résistance des matériaux.
En revanche, lors d’une défaillance due à une pression extérieure, l’équipement ne peut plus supporter sa forme et prend soudainement et de manière irréversible une nouvelle forme de volume plus faible.
Les trois images suivantes montrent des récipients de volume réduit après une défaillance due à une pression extérieure. La quatrième image montre, par contraste, une rupture par pression interne.
La pression externe peut être créée de trois façons :
Deux sources de vide simples et inattendues : la vidange d’une cuve ou d’un réservoir qui n’est pas correctement ventilé ou le refroidissement d’une cuve remplie de vapeur qui se condense en eau. Il est bon de concevoir tout récipient exposé à la vapeur pour un vide total, le taux de refroidissement peut être très rapide, surchargeant l’équipement de protection contre le vide.
– À partir d’un vide à l’intérieur d’un récipient et de la pression atmosphérique à l’extérieur.
– À partir d’une pression supérieure à la pression atmosphérique à l’extérieur du récipient (généralement à partir de certains types d’enveloppe ou d’un récipient environnant)
– Par une combinaison des deux premières méthodes – vide à l’intérieur + pression supérieure à la pression atmosphérique à l’extérieur.
La rupture par pression externe peut être comprise comme une perte de stabilité. L’appareil n’a plus la capacité de maintenir sa forme et s’effondre soudainement en une forme avec un volume interne plus petit.
De bonnes vidéos peuvent être trouvées sur YouTube. Les appareils à pression de type CODAP ou ASME, utilisent des règles de code pour calculer la charge de pression externe sûre.
La stabilité d’une coque droite sous pression externe dépend de quatre variables :
- le diamètre (plus le diamètre est grand, moins il est stable),
- la longueur (plus elle est longue, moins elle est stable),
- l’épaisseur (plus elle est fine, moins elle est stable),
- les propriétés du matériau – une limite d’élasticité plus basse est moins stable contre l’effondrement plastique et un module d’élasticité plus bas est moins stable contre l’effondrement élastique.
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L’effondrement élastique et plastique ne sera pas abordé plus avant ici.
Les grandes cuves ont généralement une pression nominale externe inférieure à la pression interne. Ces quatre variables sont utilisées dans les équations du Code qui permettent de spécifier l’épaisseur d’une coque droite sûre.
Des méthodes similaires sont utilisées pour calculer les têtes. Les buses sont calculées en utilisant les règles familières de remplacement de la surface.
En outre, nous pouvons utiliser l’essai d’éclatement (preuve) ou l’analyse par éléments finis pour calculer les composants non couverts par les règles du code.
Les règles du code sont en moyenne très conservatrices, mais simplifient grandement des calculs qui seraient autrement très difficiles – c’est un bon compromis.
L’analyse par éléments finis et les essais d’éclatement sont effectués avec un facteur de sécurité de 3x, généralement moins conservateur (voir ASME VIII-1 UG-101(p)), où des informations précises sur les essais ou les analyses remplacent les règles générales du code.
Calcul sous pression externe
La façon la plus simple de concevoir pour la pression externe est de rendre la coque suffisamment épaisse pour rendre la cuve stable avec un facteur de sécurité acceptable (passer les calculs du code).
La longueur de la cuve utilisée dans les calculs inclut une partie de la tête à chaque extrémité. Les calculs se trouvent dans ASME VIII-1 UG-28.
Les calculs de la coque sont pour un cylindre avec des extrémités soutenues (les têtes à chaque extrémité). Les calculs sont également donnés pour les têtes qui sont traitées comme des sphères.
Les anneaux raidisseurs pour le vide
Au lieu de rendre la coque suffisamment épaisse pour supporter la pression externe, on peut souvent concevoir une cuve économique en renforçant la coque.
Lorsque le renforcement est aussi solide que l’exige l’UG-29, la longueur effective de la coque est réduite et des coques plus fines peuvent être utilisées. Dans ce cas, L1 et L2 sont calculés séparément.
Chaque zone passe indépendamment les calculs du code. Le calcul de l’armature UG-29 garantit que l’armature est suffisamment solide pour que tout ce qui se passe d’un côté n’ait aucun impact sur l’autre.
Pression extérieure des simples enveloppes
De simples enveloppes constituées de plaques de laminage soudées à l’enveloppe aux deux extrémités créent des zones de pression externe.
S’il n’y a pas de vide interne, la longueur utilisée pour le calcul de la pression externe est la longueur de la chemise.
