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Comment positionner les buses d’un système d'échantillonnage de gaz liquide ou naturel

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Comment positionner les buses d’un système d'échantillonnage de gaz liquide ou naturel

6 juin 2019 | Karim Mahraz

Dans un système d'échantillonnage de gaz liquide ou naturel, on utilise une buse au point de prélèvement pour acheminer l'échantillon à l'analyseur. Veillez à placer, positionner et orienter correctement cette buse si vous voulez obtenir rapidement des résultats d’analyse exacts. Une buse mal placée peut entraîner un temps de réponse excessif, une contamination des échantillons et des résultats d’analyse inexacts. 

Idéalement, l’ingénieur responsable d’un système d'échantillonnage imposera l’agencement de la tuyauterie et même la conception des cuves du process afin de s’assurer que la buse sera située au bon endroit. Cependant, un ingénieur doit souvent travailler avec des schémas existants, même si la buse est mal placée ou mal orientée. Nous allons examiner ci-après plusieurs questions importantes pour les ingénieurs chargés de réaliser et de placer des buses dans un système d'échantillonnage de liquides ou de gaz. Nous recommandons en outre de faire intervenir des spécialistes des analyseurs, des ingénieurs méthodes, des chimistes et des fournisseurs de composants à différents stades de la conception afin de s’assurer que toutes les variables sont prises en compte. 

LOCALISER UN POINT DE VENTE ET CENTRE DE SERVICES

Choisir l’emplacement des buses

Les buses sont généralement courtes et d’un diamètre inférieur à celui de la ligne de process sur laquelle elles sont installées. Elles contiennent souvent une sonde, qui, dans sa forme la plus simple, est un appendice en métal, en verre ou en céramique qui déborde dans la ligne de process dont elle extrait un flux continu de liquide ou de gaz à analyser.

Lorsque vous réfléchissez à l’emplacement d’une buse sur une conduite ou une cuve, choisissez un endroit où le fluide du process est parfaitement mélangé, de sorte que votre échantillon reflète fidèlement les conditions du process. Si cela est possible, installez un mélangeur statique dans la ligne de process. Dans le cas contraire, placez la buse en aval d’une turbulence induite par le refoulement d’une pompe, un orifice d'écoulement ou une conduite coudée par exemple. La turbulence aidera à mélanger le fluide du process avant le prélèvement.

Il est déconseillé de placer un point de prélèvement juste après une source de turbulence. La turbulence sera à l’origine de variations de pression et de courants de Foucault qui pourront tous deux avoir une incidence sur les mesures de l’analyseur.

Prélèvement d'échantillons de gaz

Il est préférable de placer le point de prélèvement en aval de la dernière perturbation de l'écoulement, à une distance au moins égale à deux fois le diamètre de la conduite. Cette pratique est recommandée par l’Agence pour la protection de l'environnement des États-Unis (EPA) . Celle-ci autorise deux emplacements pour le prélèvement manuel de gaz de cheminée : 

  1. à une distance au moins égale à huit fois le diamètre de la cheminée ou du conduit en aval et à deux fois ce diamètre en amont de toute perturbation de l'écoulement ; 
  2. à une distance au moins égale à deux fois le diamètre de la cheminée ou du conduit en aval et à la moitié de ce diamètre en amont de toute perturbation de l'écoulement.

L'EPA considère que la première règle est idéale. Si cette règle ne peut pas être respectée, les lignes directrices de l'EPA exigent que des points de prélèvement supplémentaires soient installés pour se prémunir contre une possible stratification.

Prélèvement d'échantillons de fluide

Pour un pipeline, placez le point de prélèvement à une distance au moins égale à deux fois le diamètre de la conduite en aval de la dernière perturbation de l'écoulement, à un endroit où il ne risque pas d’interférer avec un débitmètre. Toutefois, si le fluide du process est un liquide proche de son point de bulle, il est conseillé d’être plus prudent. Pour éviter que des bulles ne se forment dans l'échantillon, placez le point de prélèvement sur un tronçon droit et dégagé sur une distance au moins égale à cinq fois le diamètre de la conduite en amont et deux fois ce diamètre en aval.

Prélèvement d'échantillons de vapeur

Lorsque l’échantillon est à l’état de vapeur ou proche de son point de rosée, l'emplacement du point de prélèvement est d’une importance capitale. Les variations de pression engendrées à proximité de zones où l’écoulement est perturbé peuvent entraîner une condensation. Or, on ne souhaite pas qu’un échantillon gazeux contienne des condensats. Pour limiter ce risque, une norme européenne (ISO 10715 1997, 13) relative aux mesures effectuées sur des échantillons de gaz naturel exige que le point de prélèvement soit situé à une distance au moins égale à 20 fois le diamètre de la conduite en aval de la dernière perturbation de l'écoulement. La norme américaine pertinente en la matière (API MPMS 14.1 2006, 15) impose une distance au moins égale à cinq fois le diamètre. Si la conduite contient une autre sonde, une sonde thermométrique par exemple, la sonde de prélèvement doit être éloignée de la sonde thermométrique d’une distance au moins égale à cinq fois le diamètre de cette dernière. 

Une distance encore plus grande est nécessaire pour un prélèvement isocinétique, lequel requiert une vitesse d’écoulement dans la sonde égale à la vitesse d’écoulement dans la ligne de process. Par exemple, pour de la vapeur saturée, la norme américaine pertinente  (ASTM D1066) recommande d’installer le point de prélèvement à une distance au moins égale à 35 fois le diamètre de la conduite en aval et quatre fois ce diamètre en amont de la dernière perturbation de l'écoulement. Comme cela peut s’avérer difficile à réaliser, l’ASTM suggère de maintenir un rapport de neuf pour un entre les distances en amont et en aval du point de prélèvement lorsque celui-ci n’est pas conforme. 

Construire une buse 

En arrivant à la phase de conception, vous remarquerez que la conception de la buse, y compris son orientation, dépend fortement des exigences de la sonde. En fonction de l'emplacement et de l'orientation de la buse, et donc de la sonde, certaines particules acheminées par une ligne de process pourront avoir une incidence sur l’analyse. Une buse installée correctement permet de limiter le risque de voir ces particules pénétrer dans la sonde où elles pourront contaminer l'échantillon ou le prélèvement, voire boucher la sonde.

Le moyen le plus simple pour construire une buse consiste à souder un bossage taraudé sur un pipeline et à le percer de part en part. Commencez par souder une plaque de renfort sur le pipeline, sauf si la paroi de celui-ci est suffisamment épaisse. Sélectionnez ensuite un bossage d’une taille adaptée à la sonde filetée ou à la vanne utilisée. Une autre méthode consiste à souder un mamelon fileté mâle sur la ligne.

Il est évident qu'aucune de ces méthodes simples ne saurait satisfaire à un cahier des charges qui interdit les joints filetés sur l’extérieur des lignes de process. Face à de telles contraintes, vous pouvez alors souder une vanne sur le mamelon ou utiliser une buse à bride. 

 

Prélever un gaz

Chaque fois que cela est possible, choisissez un tronçon horizontal pour prélever un gaz dans une ligne de process. Cela permet de placer la buse en position verticale. Il est également plus facile de trouver un tronçon droit et long. Placez la buse au-dessus de la ligne de sorte que les impuretés ou liquides éventuels retombent dans la ligne de process. Si le gaz du process est propre et sec, vous pouvez placer une buse à l’horizontale sur le côté d’un tuyau horizontal. En revanche, évitez une telle orientation si les échantillons contiennent des impuretés au risque d’obtenir un écoulement non turbulent dans la sonde ; des particules pourraient en effet retomber dans la sonde et la boucher.

On retrouve ce même problème avec une buse horizontale montée sur une conduite de gaz verticale. Des buses inclinées permettent aux liquides ou aux matières solides entraînés de retomber dans la ligne de process. Ce dispositif est efficace pour éliminer des liquides présents dans le prélèvement, mais pas forcément des matières solides qui peuvent adhérer à la sonde.

Pour des cheminées verticales, la buse doit être horizontale ou légèrement inclinée et beaucoup plus grosse, de manière à pouvoir accueillir des sondes spéciales. L'emplacement de la buse est ici fonction de la température du gaz : celle-ci ne doivent pas être trop élevée (pour que le coût des matériaux reste raisonnable), mais elle doit être supérieure au point de rosée acide (de manière à éviter une condensation de l’acide sulfurique dans la sonde). Pour la surveillance des gaz de cheminée, la température optimale au niveau de la buse est légèrement supérieure à 600°C (1112°F) afin de garantir une combustion complète.

Lorsqu’il s’agit de prélever de la vapeur susceptible de contenir des gouttelettes de condensat, par exemple dans un circuit de vapeur saturée, on placera de préférence le point de prélèvement sur un tronçon long et orienté vers le bas. La pression dans la ligne doit cependant toujours être contrôlée. Une ligne descendante est souvent raccordée côté aspiration d'une pompe process et il peut y régner une pression relativement basse. Une source de basse pression est adaptée pour un échantillon de gaz qui sera évacué vers une torche, mais pas pour un échantillon destiné à retourner dans le process via une boucle rapide. Avec une boucle rapide, vous voudrez probablement prélever l'échantillon côté refoulement de la pompe et le renvoyer vers le côté aspiration.

Prélever un liquide

Une conduite verticale dans laquelle l’écoulement est ascendant est souvent le meilleur emplacement pour installer une buse destinée à prélever un liquide, car il est alors certain que la conduite sera remplie. Pour cette configuration, optez pour une buse horizontale car cela permet d’utiliser une sonde plus courte moins sensible aux vibrations. Une buse horizontale est adaptée pour un échantillon liquide car on est certain que l’écoulement sera turbulent dans la sonde, ce qui empêche la sédimentation des matières solides à ce niveau.

La pression supplémentaire engendrée par le liquide situé au-dessus du point de prélèvement pourra suffire pour s’assurer que la pression du liquide du process est supérieure au point de bulle du liquide au point de prélèvement. Cette pression supplémentaire facilite également le transport de l'échantillon. Évitez de prélever un échantillon liquide dans une conduite verticale dans laquelle l’écoulement est descendant : vous n’avez alors aucune garantie que la ligne est remplie.

Prélever un échantillon liquide dans une ligne horizontale est risqué car il se peut que la ligne ne soit pas remplie, ce qui produira un échantillon à la fois liquide et gazeux. Si la ligne de process monte après le tronçon horizontal, vous avez l’assurance que la ligne est remplie. Si elle descend, le tronçon horizontal pourra alors contenir une couche de gaz statique, piégée au-dessus du liquide qui s'écoule.

Il est généralement admis que le point de prélèvement d’un liquide doit toujours se situer sur le côté d'une ligne de process horizontale. Cette disposition est effectivement conseillée lorsque le prélèvement se fait sans l’aide d’une sonde. Cela réduit le risque d’entraîner de la vapeur (lorsque le point de prélèvement est placé au-dessus de la conduite) ou des dépôts (lorsqu'il est placé au-dessous).

Dans la pratique, il est généralement préférable d'utiliser une sonde afin d’effectuer le prélèvement au centre de la ligne. Avec une sonde, le problème de l'orientation est d’une moindre importance. Une buse verticale installée au-dessus de la ligne de process est l’option habituellement privilégiée car elle permet aux matières solides denses de retomber dans la ligne. En général, la buse ne doit pas être située au-dessous d’une conduite horizontale car des matières solides seront alors entraînées avec les échantillons, ce qui va compliquer le conditionnement de ces derniers. Si vous rencontrez une telle situation du fait d’un montage préexistant, installez alors une sonde qui devra pénétrer dans la conduite jusqu’à atteindre un tiers du diamètre de celle-ci.

Avant d’arrêter l’emplacement d’un point de prélèvement

Avant de prendre une décision définitive concernant l’emplacement d’un point de prélèvement, rappelez-vous que le choix de la sonde va déterminer l'orientation, le diamètre et les raccords de la buse. Une fois la sonde choisie, revérifiez l'emplacement choisi afin de vous assurer que vous disposerez d’un espace suffisant pour les travaux d'installation et de maintenance. Vérifiez qu’il y aura suffisamment d'espace pour réaliser la buse, entretenir la vanne d'isolement du process et retirer la sonde. Prenez également en considération l'accessibilité et l'éclairage. Un dispositif simple associant une vanne et une sonde pourra ne nécessiter qu'une petite plate-forme et une échelle, mais une station de mesure nécessitera une plate-forme complète et de l'éclairage.

Pour une formation plus approfondie et personnalisée sur la conception des systèmes d'échantillonnage et l’emplacement des buses, prenez contact avec votre point de vente et centre de services Swagelok. 

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