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Des tests rigoureux pour garantir la fiabilité de régulateurs

L’importance de la physique des matériaux et des tests de matières : ce que vous devez savoir pour garantir le bon fonctionnement d’un régulateur

28 août 2019 | Jon Kestner, responsable produit, régulateurs industriels à usage général

Alors que les besoins évoluent dans tous les secteurs d’activité, les entreprises doivent adapter leur gamme de produits pour répondre aux exigences de performances de toutes sortes d’applications, des plus courantes aux plus extrêmes. Cela est vrai dans le monde des systèmes fluides, où les limites de performance des vannes, raccords, régulateurs et autres composants ne cessent d’être redéfinies. 

Au bout du compte, ce sont la technicité de la conception et la rigueur des tests effectués qui vont garantir en situation réelle le bon fonctionnement des composants utilisés dans des systèmes acheminant des liquides ou des gaz sous pression. Les tests permettent non seulement de s’assurer que les produits fonctionnent comme prévu, mais aussi de découvrir comment certaines variables non évaluées directement pourraient influer sur les performances des produits sur le terrain. En particulier lorsque les produits sont utilisés dans des environnements difficiles, rien ne doit être tenu pour acquis au risque de nuire à la productivité, voire de mettre en danger le personnel. 

Les régulateurs de pression conçus pour des températures négatives sont le parfait exemple d’un composant dont la capacité à fonctionner dans des conditions extrêmes doit être confirmée par des tests rigoureux. Ces composants doivent réguler la pression tout en réagissant aux variations des conditions du système dans des applications où toute défaillance peut non seulement causer des pertes financières et des dégâts matériels, mais également mettre en danger l’opérateur. Dans les situations où des basses températures menacent le bon fonctionnement d’un composant capital, une conception méticuleuse et des tests en laboratoire bien pensés vont faire la différence entre la réussite et l’échec.

L’importance de l’efficacité d’un régulateur basse température

Les régulateurs basse température sont fréquemment utilisés dans des applications comme l’alimentation en gaz industriel ou la fourniture de gaz en vrac. Ils régulent la pression du système à des débits variables et leur défaillance peut entraîner des problèmes majeurs. Du liquide ou du gaz s’échappant dans le milieu environnant peut coûter cher, mais ce scénario est loin d'être le pire. Une perte de pression due à une défaillance du régulateur peut nuire aux performances du système dans son ensemble ou occasionner des risques importants pour la sécurité.

Une des principales raisons susceptibles d’expliquer la défaillance d’un régulateur est son incapacité à résister à des températures extrêmes inhérentes à l'application, comme cela est le cas avec la fourniture de gaz en vrac. Les systèmes utilisés pour abaisser la pression d’alimentation sont souvent installés à l'extérieur, dans des environnements aux conditions climatiques non contrôlées. Par conséquent, les conteneurs sont exposés aux températures extrêmes rencontrées sous des latitudes allant de l’équateur aux pôles. Les effets du froid environnant peuvent être aggravés par une baisse de la température du gaz elle-même causée par une diminution de sa pression. Pour la plupart des gaz, une forte baisse de la pression s’accompagne d’un refroidissement (effet Joule-Thomson), le transfert d’énergie entraînant alors une diminution importante de la température. Cela peut aboutir à des situations dans lesquelles des régulateurs industriels se retrouvent exposés à des températures pouvant descendre en dessous de -40°C.

Ces conditions peuvent affecter les performances du régulateur, car les composants en élastomère ont souvent tendance à se rigidifier et à se contracter sous l’effet des basses températures, ce qui provoque des fuites ou affecte la réactivité du régulateur. Le principal élément détecteur d’un régulateur est soit une membrane en élastomère, soit un piston dont l’étanchéité est assurée par un joint torique en élastomère. Si la membrane ou les joints toriques du piston deviennent trop friables, ils peuvent se fissurer et provoquer des fuites ou se rigidifier au point d’influer sur la capacité du régulateur à réagir aux variations du débit dans le système. D’autres composants des régulateurs sont généralement composés d'élastomères, notamment le siège principal sur lequel le clapet vient former un joint étanche séparant la chambre basse pression de la chambre haute pression, le joint dynamique entre le clapet et le corps, la membrane ou les joints du piston, et les joints statiques du corps qui contiennent la pression. Les régulateurs contiennent également des polymères non élastomères comme les matériaux du siège en plastique dur, qui, à des températures extrêmement basses, peuvent durcir au point qu’il devient difficile voire impossible de former un joint étanche. Par conséquent, l’efficacité d’un régulateur, de par sa conception même, peut être réduite en cas de froid extrême.

Pour limiter les pertes et les risques associés à des fuites de gaz, il est essentiel de choisir les bons matériaux pour concevoir des régulateurs spécialement adaptés aux basses températures. 

Trouver le bon régulateur pour une utilisation à basse température

Les matériaux ont une grande importance dans le choix du régulateur, non seulement parce que les composants utilisés dans des applications comme la fourniture de gaz en vrac sont amenés à devoir résister à des basses températures, mais aussi parce que tous les élastomères ne sont pas forcément compatibles avec tous les produits chimiques. Par exemple, si l'éthylène-propylène se comporte bien à basse température, il est en revanche chimiquement incompatible avec des hydrocarbures, qui ont toutes les chances d’être présents dans des applications impliquant du gaz naturel comprimé (GNC). Pour qu'un matériau soit efficace sur le lieu d’utilisation du régulateur, son comportement face aux conditions environnementales et sa résistance aux produits chimiques doivent être adaptés à l'application.

Quel que soit le matériau choisi, il est indispensable de le tester pour garantir la fiabilité des joints du régulateur à très basse température. Procéder à des tests est la seule façon de s’assurer qu'aucune fuite interne ne se produira au niveau du siège du régulateur, qu’aucune fuite ne se produira au niveau du boîtier en cas de défaillance des joints et que le régulateur continuera à remplir la fonction pour laquelle il a été conçu, à savoir ajuster en permanence la pression au niveau fixé. 

Aperçu des tests à basse température

Toutes les méthodes d'essais thermiques ne se valent pas. Il n'existe pas d’essai standard unique reconnu dans tous les secteurs d’activité pour tester les performances à basse température, ce qui conduit à de grandes disparités dans la rigueur des tests effectués. L’American Society of Mechanical Engineers (ASME) et l’American National Standards Institute (ANSI) proposent des tests à basse température qui peuvent être utilisés, tout comme certains organismes plus spécialisés comme l'American Petroleum Institute (API). Souvent conçus pour des applications spécifiques avec des exigences particulières, ces tests ne couvrent pas l’ensemble des conditions auxquelles sont exposées les composants de systèmes fluides. 

Une autre complication réside dans la difficulté à réaliser une analyse complète des courbes de débit pour des températures extrêmement basses en raison des limites inhérentes au fait de travailler dans un lieu chauffé. Quoi qu'il en soit, des tests doivent être réalisés pour s’assurer que le gaz circule correctement dans le régulateur et que celui-ci s’ouvre et se ferme en restant étanche et ne voit pas ses performances altérées en cas de variations importantes de la température. 

Une approche adaptée des essais thermiques est nécessaire pour savoir si un régulateur basse température fonctionnera comme prévu dans les conditions les plus extrêmes. Pour comprendre de quoi il s’agit, penchons-nous sur les mesures prises chez Swagelok par l’équipe chargée du développement des produits pour évaluer les capacités d’une nouvelle version basse température des régulateurs de pression série RHPS, comportant des composants conçus pour maintenir une parfaite étanchéité par temps froid.

Étude de cas : élaboration d’une procédure d’essai thermique pour tester des régulateurs basse température

Le catalogue standard des régulateurs industriels série RHPS compte environ 900 variantes du produit. Avant de mettre au point une méthode d’essai, il fallait trouver un moyen pour pouvoir les évaluer tous de façon satisfaisante. Chaque caractéristique a été testée, qu’il s’agisse des performances statiques (s’assurer de la tenue en pression de l’ensemble des joints d'étanchéité et joints toriques et vérifier l’absence de fuites dans le milieu ambiant) ou des performances dynamiques (vérifier le bon fonctionnement des joints toriques et des membranes dans une situation de mouvements autour d’eux). 

L'équipe technique a examiné les essais à basse température standard existants pour les vannes et les raccords. Une pratique courante consiste à appliquer une série de cycles thermiques en diminuant ou en augmentant la température à partir de la température ambiante. Cette méthode fonctionne avec la plupart des produits pour un vaste champ d’applications, car elle permet de valider l’étanchéité des joints et l’actionnement des vannes, et d’observer toute altération éventuelle des performances au fil des cycles thermiques.

Pour évaluer correctement les régulateurs basse température en particulier, les tests ont été élargis de manière à couvrir tous les besoins fonctionnels des applications utilisant des régulateurs de pression. L'équipe d'essai savait que les basses températures pouvaient altérer les performances des régulateurs du fait de vannes nécessitant un couple d'actionnement plus élevé ou de joints perdant leur étanchéité en se contractant. Par conséquent, la procédure d’essai a été imaginée de manière à pouvoir détecter tout problème potentiel afin que les clients n’aient pas de mauvaises surprises une fois les produits installés sur le terrain.

Travaillant à partir de protocoles d'essai éprouvés, l'équipe a soumis les régulateurs basse température de la série RHPS à des cycles chaud-froid chaud-froid. Les variations entre la température ambiante et un froid extrême ont été prévues de manière à ce que toute altération des performances éventuellement non détectée avec une seule baisse de la température deviennent visible lors des baisses suivantes. Cette approche prudente visait à s’assurer que les produits fonctionneraient comme prévu dans de nombreuses applications à basse température.

Des procédures distinctes ont été utilisées pour les déverseurs et les détendeurs afin que tous les produits subissent des tests adaptés à leur conception. Finalement, une procédure d’essai à basse température a été mise au point par l’entreprise pour les régulateurs de pression industriels et une gamme de produits adaptée aux conditions extrêmes a été lancée.

Avant d'acheter des produits, assurez-vous qu'ils répondront aux besoins

Tout processus de R&D devrait comporter des tests, mais cela ne doit jamais être considéré comme allant de soi. Comme le montre l'étude de cas ci-dessus, un soin particulier doit être apporté à ces tests pour être certain qu'un produit va fonctionner à des températures extrêmes. La température nominale d’un produit ne se résume pas à celle de ses composants. Des données de laboratoire sont essentielles pour savoir si un produit va fonctionner de manière fiable et sans danger. De même, il ne suffit pas de simplement exposer un produit au froid. Le fabricant doit le soumettre à des cycles thermiques bien pensés pour s’assurer qu’il va résister et qu’aucun problème imprévu ne va venir altérer ses performances sur le terrain.

Si vous avez besoin d'aide pour trouver les composants parfaitement adaptés à vos applications, prenez contact avec votre point de vente et centre de services Swagelok qui pourra vous renseigner à tout moment. Et si vous avez des doutes concernant les performances de systèmes existants traitant des gaz ou des liquides, ou si vous avez besoin des conseils de spécialistes pour concevoir de nouveaux systèmes, pensez à faire appel aux professionnels des services d’évaluation et de conseil de Swagelok, qui procéderont à une inspection de vos installations et vous feront des recommandations pour améliorer les performances de vos systèmes fluides.

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