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Calcul des caractéristiques et choix d'une conduite. Diamètre optimal d'une conduite

Sommaire:

Les conduites qui transportent des liquides différents représentent une partie intégrante des appareils et des installations effectuant des processus de production dans un grand nombre de domaines. Le coût des tubes, ainsi que de l'ensemble de la robinetterie joue un rôle important dans le choix des tubes et de la configuration de la conduite. Le coût final du transport du milieu actif via la conduite dépend pour beaucoup des dimensions des tubes (leur diamètre et longueur). Ces valeurs sont calculées par le biais des formules spécialement élaborées qui sont spécifiques pour chaque type d'exploitation.

Un tube est un cylindre creux en métal, en bois ou en autre matériau, utilisé pour transporter un milieu liquide, gazeux ou meuble, tel que de l'eau, un gaz naturel, de la vapeur, un produit pétrochimique etc. Les tubes sont utilisés partout de différents domaines industriels jusqu’à l'usage à la maison.

Les tubes peuvent être réalisés en matériaux différents tels que l'acier, la fonte de fer, le cuivre, le ciment, les matériaux plastiques, y compris l'ABS, le polyvinylchloride, la chlorure de polyvinyle surchloré, le polybutylène, le polyéthylène et autres.

Les caractéristiques dimensionnelles principales d'un tube sont représentées pas son diamètre (extérieur, intérieur et autres) et l'épaisseur de sa paroi en millimètres ou en pouces. D'autres paramètres, tels que le diamètre conventionnel et le diamètre de passage, sont souvent utilisés aussi. Le diamètre de passage est défini comme la valeur nominale du diamètre intérieur du tube, mesurée également en millimètres (NPS) ou en pouces (DN). Les valeurs des diamètres conventionnels sont standardisées et représentent le critère principal du choix d'un tube et des poutres de raccord.

La correspondance des valeurs du diamètre de passage en millimètres aux valeurs en pouces:

NPS, mm DN, pouces NPS, mm DN, pouces
15 ½ 400 16
20 ¾ 450 18
25 1 500 20
40 600 24
50 2 650 26
80 3 700 28
100 4 750 30
150 6 800 32
200 8 900 36
250 10 1000 40
300 12    
350 14    

Les tubes à section circulaire sont plus utilisés que ceux aux autres formes de section pour les raisons suivantes:

  • Le cercle possède d'un rapport minimal du périmètre à la surface, ce qui signifie qu'à condition des capacités de passage identiques le débit du matériau d'un tube circulaire sera minimal par rapport au débit des tubes d'autres formes. D'où les dépenses minimales sur l'isolation et sur le revêtement protecteur;
  • La section circulaire est la plus avantageuse pour transporter un milieu liquide ou gazeux du point de vue hydrodynamique. Son autre avantage est représenté par le rapport minimal de la surface intérieure du tube à une unité de sa longueur, ce qui permet de minimiser le frottement entre le milieu transporté et le tube;
  • La forme circulaire est la plus résistante aux pressions intérieures et extérieures;
  • La fabrication d'un tube circulaire est un processus simple, facile à réaliser.

Les tubes peuvent avoir des configurations et des diamètres très différents, qui dépendent du domaine de leur utilisation et de l'objectif à accomplir. Ainsi, les conduites principales de configuration simple peuvent avoir un diamètre de presque 50 cm, tandis que les conduites de chauffage en serpentin, réalisées également en forme de tube, possèdent d'un petit diamètre, mais d'une configuration complexe avec plusieurs tournants.

Il est absolument impossible de s'imaginer un domaine industriel sans un réseau de conduites. Les calculs de chaque réseau impliquent le choix du matériau pour les tubes, la création du cahier des charges, où sont indiqués l'épaisseur, les dimensions, le circuit de la conduite et autres données. La matière première, le produit intermédiaire ou le produit fini passent des stades technologiques sous influence de différents appareils et installations qui se joignent les uns aux autres par des conduites et des pièces de raccordement. Un bon calcul, ainsi qu'un bon choix et un montage fiable du système de conduites sont indispensables pour garantir son fonctionnement stable, assurer le passage sécurisé du milieu actif, hermétiser le système et prévenir les fuites du milieu transporté dans l'environnement.

Il n'existe pas de formule unique ou de règles qui pourraient être utilisées pour les calculs concernant toute conduite destinée à accomplir n'importe quelle tâche et transportant tous les types de milieu actif. Chaque domaine d'utilisation des conduites se caractérise par un nombre de facteurs, qui peuvent exercer une influence particulière sur les propriétés clés de la conduite et doivent être pris en considération. Ainsi, dans le cadre des projets, impliquant la transportation des déchets, une conduite d'un grand diamètre sera plus coûteuse à monter et provoquera plusieurs difficultés de fonctionnement.

En règle générale les tubes sont choisis après l'optimisation des coûts de matériel et des coûts d'exploitation. Un grand diamètre de la conduite augmente le volume d'investissements initiaux, mais minimise les chutes de pression, d'où la minimisation des frais d'exploitation. Et vice versa: une conduite d'un petit diamètre sera plus avantageuse à monter, compte tenu des coûts initiaux réduits des tubes et de l'armature, mais l'augmentation de la vitesse provoquera un plus grand volume de pertes et, donc, un plus grand volume d'énergie nécessaire pour transporter le milieu actif. Les normes de vitesses optimales dans de différents domaines d'exploitation se basent sur les conditions de calcul optimales. Les dimensions d'une conduite sont calculées à l'aide de ces normes et compte tenu des particularités du domaine d’exploitation.

Conception des conduites

Les paramètres structuraux suivants sont pris en considération lors de la conception d’une conduite:

  • le rendement nécessaire;
  • l’endroit de l’entrée et de la sortie de la conduite;
  • la composition du milieu actif, y compris sa viscosité et son poids spécifique;
  • les conditions topographiques de la mise en place de la conduite;
  • la pression d’exploitation maximum admissible;
  • le calcul hydraulique;
  • le diamètre de la conduite, l’épaisseur des parois, la limite de liquidité du matériau des parois lors de la dilatation;
  • la quantité d’installations de pompage, l’espace entre eux et la puissance consommée.

Fiabilité des conduites

La fiabilité de la construction d’une conduite est assurée par le respect des normes de conception, ainsi que par la formation du personnel compétent qui est un élément clé du point de vue de la durée de vie de la conduite, de son étanchéité et de sa fiabilité. Un contrôle permanent ou périodique du fonctionnement de la conduite peut être effectué à l’aide des systèmes de contrôle, de comptage, de gestion, de réglage et d’automatisation, ainsi qu’à l’aide des appareils individuels de contrôle sur place et des dispositifs de sûreté.

Revêtement complémentaire d’une conduite

La plupart des tubes est couverte par un revêtement anticorrosif, afin de prévenir une action destructrice corrosive environnementale. Dans le cas de la transportation des milieux corrosifs le revêtement peut aussi être appliqué à l’intérieur des tubes. Avant d’être mis en exploitation tous les tubes dédiés à transporter des liquides dangereux sont soumis au contrôle des défauts et des fuites.

Informations principales pour calculer le flux dans une conduite

Le caractère du flux du milieu actif dans une conduite et lors de l’écoulement des obstacles peut être différent en fonction du type de liquide transporté. La viscosité du milieu, qui se caractérise par le coefficient de viscosité, est un des paramètres importants des calculs des flux. En 1880 l’ingénieur et physicien irlandais Osborne Reynolds a réalisé une série d’expériences qui lui a permis de trouver une valeur non dimensionnelle, définissant le caractère du flux d’un liquide visqueux. Cette valeur a reçu ensuite le nom du nombre de Reynolds (Re).

Re = (v·L·ρ)/μ

Où:
ρ — la densité du liquide;
v — la vitesse du flux;
L — la longueur de référence d’un élément du flux;
μ – le coefficient de viscosité dynamique.

Ainsi, le nombre de Reynolds caractérise le rapport des forces d’inertie aux forces de viscosité dans un flux liquide. Le changement de cette valeur signifie le changement du rapport entre ces forces, ce qui influence directement le caractère du flux liquide. Il est, par conséquent, d’usage de distinguer trois types de flux en fonction de la valeur du nombre de Reynolds. Si Re<2300 il s’agit d’ainsi nommé flux laminaire dans lequel le liquide coule en couches fines qui ne se mélangent presque pas. On peut également noter la croissance progressive de la vitesse du flux des parois vers le centre du tube. Une plus grande valeur du nombre de Reynolds déstabilise cette structure du flux et dans le cas de 2300<Re<4000 le flux passe en régime transitoire, où certaines couches du liquide commencent à se mélanger. Si Re>4000 il s’agit d’un état stable qui se caractérise par des changements irréguliers de la vitesse et de la direction du flux dans chaque point de passage, ce qui égalise la vitesse du flux le long du volume sommaire de la conduite. C’est le régime turbulent. Le nombre de Reynolds dépend de la charge créée par la pompe, de la viscosité du milieu sous la température de fonctionnement, ainsi que des dimensions et de la forme de section du tube qui transporte le flux.

Calcul des caractéristiques et choix d'une conduite. Diamètre optimal d'une conduite

Le nombre de Reynolds représente un nombre de similitude pour un flux d’un liquide visqueux. Il et donc possible de l’utiliser pour simuler un processus réel en moins grande échelle qu’il serait confortable d’analyser. Cela revête d’une importance particulière, puisqu’il est parfois très difficile et parfois même absolument impossible d’étudier le caractère du flux d’un liquide dans des appareils réels à cause de leurs trop grandes dimensions.

Calcul d’une conduite. Calcul du diamètre d’une conduite

Si la conduite n’est pas isotherme et l’échange de chaleur entre le milieu transporté et son environnement est possible, le caractère du flux peut changer même dans le cas d’une vitesse (d’un débit) permanente. Cela est possible dans le cas, où le milieu transporté possède d’une haute température à l’entrée et son flux est turbulent. La température du milieu transporté diminuera le long du tube à cause des pertes de chaleur dans l’environnement, ce qui peut provoquer le changement du régime du flux vers un régime laminaire ou celui transitoire. La température qui provoque le changement du régime est appelée la température critique. La viscosité du liquide dépend directement de la température. Pour cette raison la notion d’une viscosité critique a également été introduite, correspondant au moment du changement du régime du flux qui se caractérise par une valeur critique du nombre de Reynolds:

Vcr = (v·D)/Recr = (4·Q)/(ϖ·D·Recr)

Où:
νcr – la viscosité cinématique critique;
Recr – la valeur critique du nombre de Reynolds;
D – le diamètre du tube;
v – la vitesse du flux;
Q – le débit.

Le frottement qui apparaît entre les parois du tube et le flux transporté est une autre notion importante. Le coefficient de frottement dépend pour beaucoup de la rugosité des parois du tube. L’interdépendance du coefficient de frottement, du nombre de Reynolds et de la rugosité est reflétée par le diagramme de Moody, permettant de déterminer un des paramètres si les deux autres sont connus.

Calcul des caractéristiques et choix d'une conduite. Diamètre optimal d'une conduite

La formule de Colebrook-White est également utilisée pour évaluer le coefficient de frottement d’un flux turbulent. Il est possible de rédiger à base de cette formule des diagrammes pour évaluer le coefficient de frottement.

(√λ)-1 = -2·log(2,51/(Re·√λ) + k/(3,71·d))

Où:
k – le coefficient de rugosité du tube;
λ – le coefficient de frottement.

Il existe également d’autres formules du calcul approximatif des pertes de frottement pour un liquide à écoulement sous pression dans une conduite. Une des équations les plus utilisées dans ce cas est celle de Darcy-Weisbach qui se base sur les données empiriques et est utilisée généralement lors de la simulation des systèmes différents. La valeur des pertes de frottement représente une fonction de la vitesse d’un liquide et de la résistance d’un tube au mouvement de ce liquide exprimée via la rugosité des parois de la conduite.

∆H = λ · L/d · v²/(2·g)

Où:
ΔH – les pertes de charge;
λ – le coefficient de frottement;
L – la longueur du secteur du tube;
d – le diamètre du tube;
v – la vitesse du flux;
g – l’accélération de la pesanteur.

La perte de la pression de l’eau, causée par le frottement, est calculée à l’aide de l'équation de Hazen-Williams.

∆H = 11,23 · L · 1/С1,85 · Q1,85/D4,87

Où:
ΔH – les pertes de charge;
L – la longueur du secteur du tube;
С – le coefficient de rugosité Hazen-Williams;
Q – le débit;
D – le diamètre du tube.

Pression

La pression d'exploitation de la conduite représente une valeur maximale de la pression de surcharge qui assure le régime déterminé du fonctionnement de la conduite. La décision sur les dimensions de la conduite et la quantité des installations de pompage est habituellement prise en fonction de la valeur de la pression d’exploitation dans cette conduite, de son rendement et de son débit. La pression maximale et celle minimale dans la conduite, ainsi que les caractéristiques du milieu actif déterminent l’espace entre les installations de pompage et la puissance appelée.

La pression nominale (PN) représente une valeur nominale correspondant à la pression maximale du milieu actif sous la température de 20 °C qui rend possible une exploitation continue de la conduite aux dimensions données.

Avec la croissance de la température le pouvoir de charge du tube diminue, causant également la baisse de la valeur admissible de la pression de surcharge. La valeur (Pe,zul) représente la pression maximale (de surcharge) dans une conduite avec l’augmentation de la température de fonctionnement.

Le diagramme des pressions de surcharge admissibles:

Pression

Calcul de la chute de pression dans une conduite

Le calcul de la chute de pression dans une conduite est effectué par le biais de la formule suivante:

∆p = λ · L/d · ρ/2 · v²

Où:
Δp – la chute de pression pour un secteur du tube;
L – la longueur du secteur du tube;
λ – le coefficient de frottement;
d – le diamètre du tube;
ρ – la densité de l'eau pompée;
v – la vitesse du flux.

Milieux actifs transportés

Les tubes sont le plus souvent utilisés pour transporter de l’eau, mais ils transportent parfois également des déchets, des suspensions, des vapeurs etc. Les conduites utilisées dans l’industrie pétrochimique transportent un grand éventail d’hydrocarbures et de leurs mélanges, possédant tous des caractéristiques chimiques et physiques particulières. Le pétrole brut peut être transporté à grandes distances de son gisement à terre ou de la plate-forme de forage sur un plateau continental jusqu’aux terminaux, aux points de relais ou aux raffineries.

Les conduites transportent également:

  • les produits du raffinage du pétrole comme l’essence, le carburant d’aéronautique, le kérosène, le gasoil, le fioul et autres;
  • les produits de base pétrochimiques: benzène, styrène, propylène et autres;
  • les hydrocarbures aromatiques: xylène, toluène, propylbenzène et autres;
  • le carburant liquéfié à base de pétrole comme le gaz naturel liquéfié, le gaz de pétrole liquéfié, propane (gaz aux températures et pressions standards, mais liquéfiés sous pression);
  • le gaz carbonique, l’ammoniac liquide (transporté de même façon que les liquides sous pression);
  • le bitume et le carburant visqueux. Dans le cas d’un carburant trop visqueux pour être transporté dans une conduite le pétrole distillé est utilisé pour liquéfier cette matière première et recevoir en résultat un mélange, qui peut être transporté via une conduite;
  • l’hydrogène (à courtes distances).

Qualité du milieu actif transporté

Les caractéristiques physiques et autres propriétés des milieux actifs transportés définissent pour la plupart les paramètres de projet et de fonctionnement d’une conduite. Le poids spécifique, la compressibilité, la température, la viscosité, le point de congélation et la pression des vapeurs représentent les paramètres principaux du milieu actif qui doivent être pris en considération.

Le poids spécifique d’un liquide est son poids par unité de pression. Plusieurs gaz sont transportés dans les conduites sous une haute pression. A condition d’un certain degré de pression certains gaz peuvent même se liquéfier. L’indice de compression volumétrique du milieu actif est alors un paramètre critique pour la conception d’une conduite et pour calculer son débit.

La température exerce une influence directe et indirecte sur le rendement de la conduite. Cela s’exprime également par le fait qu’avec la croissance de la température le liquide se dilate à condition que la pression reste la même. La diminution de la température peut aussi influencer le rendement et l’efficacité totale du système. En règle générale, avec la diminution de la température d’un liquide sa viscosité augmente, ce qui crée une résistance de frottement supplémentaire sur la surface intérieure de la paroi du tube, augmentant le volume de l’énergie nécessaire pour transporter le même volume du liquide. Les milieux hypervisqueux sont sensibles aux chutes de températures d’exploitation. La viscosité représente la résistance du milieu au flux et se chiffre en centistokes (cSt). La viscosité détermine non seulement le choix de la pompe, mais aussi l’espace entre les installations de pompage.

Une fois la température baisse au-dessous du niveau de perte de fluidité, l’exploitation de la conduite devient impossible. Pour remédier à cette situation les procédés suivants peuvent être utilisés:

  • le réchauffement du milieu ou l’isolation thermique des tubes pour maintenir une température d’exploitation du milieu à un niveau supérieur à celui de perte de fluidité;
  • le changement de la composition chimique du milieu avant son entrée dans la conduite;
  • le dédoublage du milieu transporté par de l’eau.

Types des tubes principaux

Les tubes principaux sont soudés ou sans joints. Les tubes en acier sans joints sont réalisés sans soudures longitudinales par les tronçons en acier à l’aide du traitement thermique permettant de recevoir les dimensions et les caractéristiques désirées. Un tube soudé est réalisé via plusieurs procédés de production. Ces deux types de tubes se différencient par la quantité des soudures longitudinales dans le tube, ainsi que par le type de l’équipement de soudage utilisé. Le tube en acier soudé est le plus fréquent dans le domaine pétrochimique.

Pour former une conduite chaque tronçon du tube est raccordé au tronçon suivant par une section de soudure. En fonction du champ d’exploitation les conduites principales comprennent parfois d’autres types de tubes, tels que des tubes en fibres de verre, en plastiques différents, en amiante-ciment etc.

Pour raccorder les tronçons droits des tubes, ainsi que pour passer du tronçon d’un diamètre à celui d’un autre diamètre les pièces-raccords spéciales (coudes cintrés, tuyaux de branchement, obturateurs) sont utilisées.

Types des tubes principaux

Les pièces-raccords spéciales de types suivants sont utilisées pour le montage des sections à part des conduites et des raccords de tuyauterie.

Types des tubes principaux

Application des types différents des pièces-raccords:

Soudé – accouplement non démontable utilisé pour toutes températures et pressions;
Bridé – accouplement démontable utilisé dans le cas de températures et pressions hautes;
Vissé – accouplement démontable utilisé dans le cas de températures et pressions moyennes;
A manchon – accouplement démontable utilisé dans le cas de températures et pressions basses.

Le défaut faux-rond et la différence des épaisseurs des parois dans le tube sans joints doivent être inférieurs à l’écart admissible entre le diamètre et l’épaisseur de la paroi.

Dilatation d’une conduite

Dans le cas où la conduite est influencée par la pression, sa surface intérieure subit une répartition égale de la charge. Cela provoque des efforts longitudinaux internes dans le tube, ainsi que des charges complémentaires sur les appuis extrêmes. Les fluctuations de température exercent également une influence sur la conduite, provoquant des changements des dimensions de ses tubes. Sous l’influence de la fluctuation de température les efforts dans la conduite fixée peuvent excéder la valeur admissible et aboutir à une tension excessive, représentant un danger à la solidité de la conduite du point de vue du matériau des tubes, ainsi que des accouplements bridés. Les fluctuations de température du milieu transporté créent également des contraintes thermiques dans la conduite, qui peuvent se propager vers l’armature, l’installation de pompage etc. Cela peut provoquer une dépressurisation des joints de la conduite et des défaillances de l’armature et d’autres éléments.

Calcul des dimensions d’une conduite dans le cas de changement de température

Le calcul des changements des dimensions linéaires de la conduite à cause des changements de température est effectué selon la formule suivante:

∆L = a·L·∆t

a – l’indice d'allongement de température, mm/(m°C) (voir le tableau ci-dessous);
L – la longueur de la conduite (l’espace entre les appuis fixes), m;
Δt – la différence entre la température maximale et celle minimale du milieu actif transporté, °С.

Tableau de dilatation linéaire des tubes en matériaux différents

Matériau Indice de dilatation linéaire, mm/(m&de;C)
Fonte 0,0104
Acier inoxydable 0,011
Acier noir et galvanisé 0,0115
Cuivre 0,017
Laiton 0,017
Aluminium 0,023
Métalloplastique 0,026
Polyvinylchloride (PVC) 0,08
Polybutylène (PB) 0,13
Polypropylène (PP-R 80, PN 10, PN 20) 0,15
Polypropylène (PP-R 80, PN 25, aluminium) 0,03
Polypropylène (PP-R 80, PN 20, fibre de fer) 0,035
Polyéthylène réticulé (PEX) 0,024

Les chiffres ci-dessus représentent les valeurs moyennes pour les matériaux indiqués. Les données du tableau ne sont pas valables dans le cadre des calculs des caractéristiques d'une conduite réalisée en un matériau différent. Pour calculer les caractéristiques d’une conduite il est recommandable d’utiliser l’indice de dilatation linéaire, indiqué par le producteur du tube dans la fiche technique ou dans le passeport technique.

Il est possible de prévenir la dilatation de la conduite à l’aide des secteurs de dilatation spéciaux introduits dans la conduite, ainsi que par le biais des compensateurs qui peuvent comporter des pièces flexibles ou en mouvement.

Les secteurs de compensation comprennent des secteurs droits flexibles placés de façon perpendiculaire les uns par rapports aux autres et fixés par les tuyaux de branchement. Dans le cas de la dilatation la croissance du volume d’une partie et compensée par la déformation de la courbature d’une autre partie du même plan ou par la déformation de la courbature et de la torsion dans l’espace. La compensation de la dilatation par la conduite elle-même est appelée l’auto-compensation.

La compensation devient également possible grâce aux tuyaux de branchement. Une partie de la dilatation est compensée par ces tuyaux, le reste de la dilatation est éliminé grâce à l’élasticité du matériau du secteur qui se trouve de l’autre côté du tuyau de branchement. Les compensateurs sont installés dans les endroits, où l’utilisation des secteurs de compensation n’est pas possible ou dans le cas d’une auto-compensation insuffisante de cette partie de la conduite.

Du point de vue de la conception et du principe de fonctionnement les compensateurs peuvent être divisées en quatre catégories: compensateurs de type «U», soufflets de dilatation, compensateurs onduleux, compensateurs à presse-étoupe. Les compensateurs plats de type «L», «Z» ou «U» sont les plus utilisés. A la différence des compensateurs plats, ceux tridimensionnels comprennent habituellement deux secteurs plats transversaux avec un coude unique. Les compensateurs élastiques représentent des tubes, des disques élastiques ou des soufflets métalliques.

Calcul du diamètre optimal d’une conduite

Le diamètre optimal d’une conduite peut être défini à base des calculs techniques et économiques. Les dimensions de la conduite, y compris les dimensions et les capacités fonctionnelles de ses parties constituantes, ainsi que les conditions de l’exploitation de la conduite sont définies par la capacité de transport du système. Les tubes plus grands sont optimaux pour un flux intense et massif à conditions que les autres parties du système correspondent dument aux conditions de transportation du milieu actif en question. En règle générale, une grande distance entre deux installations de pompage dans le tube principal provoque une chute de pression considérable. En plus, le changement des propriétés physiques du milieu transporté (p. ex. de sa viscosité) peut également exercer une influence considérable sur le taux de pression dans le tube principal.

Les dimensions optimales sont les dimensions minimums admissibles pour telle ou telle exploitation qui se caractériserait par une efficacité économique pendant toute la durée de service du système.

La formule pour calculer le rendement d’un tube:

Q = (ϖ·d²)/4 · v

Q – le débit du liquide transporté;
d – le diamètre de la conduite;
v – la vitesse du flux.

Les valeurs des vitesses optimales du milieu transporté, utilisées dans les calculs du diamètre optimal de la conduite, sont habituellement prises des sources de référence, dont les chiffres se basent sur les données empiriques:

Milieu transporté Diapason des vitesses optimales dans une conduite, m/sec
Liquides Courant par gravité:
Liquides visqueux 0,1 – 0,5
Liquides de viscosité basse 0,5 – 1
Pompage:
Côté aspiration 0,8 – 2
Côté refoulement 1,5 – 3
 
Gaz Courant par gravité 2 – 4
Basse pression 4 – 15
Haute pression 15 – 25
 
Vapeurs Vapeur surchauffée 30 – 50
Vapeur saturée sous pression:
Plus de 105 Pа 15 – 25
(1 – 0,5) · 105 Pа 20 – 40
(0,5 – 0,2) · 105 Pа 40 – 60
(0,2 – 0,05) · 105 Pа 60 – 75

D’où nous recevons la formule pour calculer le diamètre optimal du tube:

Dopt = √((4·Q) / (ϖ·vopt))

Q – le débit donné du liquide transporté;
d – le diamètre de la conduite optimal;
v – la vitesse du flux optimale.

Pour un flux à grande vitesse sont utilisés des tubes d’un diamètre restreint, ce qui permet de diminuer les dépenses d’achat de la conduite, les coûts de son entretien et des travaux de montage (indiquons ces coûts comme K1). Une plus grande vitesse provoque un plus grand volume de pertes de frottement et de résistances locales, ce qui implique la croissance du coût de transport du liquide (indiquons ce coût comme K2).

Pour les conduites de grand diamètre les coûts (K1) seront plus élevés, mais les dépenses d’exploitation (K2) seront plus basses. La somme des valeurs (K1) et (K2) nous permet de calculer les frais généraux minimums (K) et le diamètre optimal de la conduite. Dans ce cas-là les coûts (K1) et (K2) appartiennent à la même période de temps.

Calcul (formule) des coûts d’investissements pour une conduite

K1 = (m·Cm·Km)/n

m – la masse de la conduite, t;
Cm – le prix pour 1 t, roubles/t;
Km – le coefficient augmentant le coût des travaux de montage, par exemple 1,8;
n – la durée de vie, ans.

Les frais d’exploitation indiqués sont liés à la consommation de l’énergie:

K2 = 24·N·nj·Cén roubles/an

N – le rendement, kW;
nj – le nombre de jours de travail dans l’année;
Сén – le coût d’un kW-h de l’énergie, rouble/kW *h.

Formule pour calculer les dimensions d’une conduite

Voici quelques exemples des formules générales pour calculer les dimensions de tubes de la conduite, n’étant pas influencés par des facteurs complémentaires tels que l’érosion, les particules solides en suspension et autres:

Nom de formule Equation Limitations possibles
Flux du liquide ou du gaz sous pression
L’équation Darcy-Weisbach pour calculer les pertes de frottement d = 12·[(0,0311·f·L·Q2)/(hf)]0,2 Q – débit volumétrique, gallon/min;
d – diamètre intérieur du tube;
hf – pertes de frottement;
L – longueur de la conduite, en pieds;
f – coefficient de frottement;
V – vitesse du flux.
L’équation du flux total pour un liquide d = 0,64·√(Q/V) Q – débit volumétrique, gallon/min
Les dimensions de la ligne d’aspiration de la pompe pour limiter les pertes de frottement d = √(0,0744·Q) Q – débit volumétrique, gallon/min
L’équation du flux total pour un gaz d = 0,29·√((Q·T)/(P·V)) Q – débit volumétrique, en pied³/min
T – température, K
Р – pression livre/pouce² (abs);
V – vitesse
Courant naturel
La formule de Manning-Strickler pour calculer le diamètre du tube optimal pour un flux maximal d = [1525 · (Q·n)/√S]0,375 Q – débit volumétrique;
n – coefficient de rugosité;
S – pente.
Le nombre de Froude l'importance relative de l'énergie cinétique par rapport à l’énergie potentielle gravitationnelle Fr = V / √[(d/12) · g] g – accélération de la pesanteur;
v – vitesse du courant;
L – longueur du tube ou son diamètre.
Vapeur et évaporation
L’équation pour calculer le diamètre du tube transportant la vapeur d = 1,75·√[(W·v_g·x) / V] W – débit massique;
Vg – volume spécifique du gaz saturé;
x – qualité de vapeur;
V – vitesse.

Vitesse du flux optimale pour systèmes de conduites différents

Les dimensions optimales sont choisies en fonction des coûts minimums des tubes et de transport du milieu actif dans ces tubes. Il est, pourtant, nécessaire de prendre en considération les limitations de vitesse. Dans certains cas les dimensions de la conduite doivent correspondre aux exigences du processus de production. Parfois les dimensions des tubes sont liées à des chutes de pression. Dans les calculs préliminaires de conception, où les pertes de frottement ne sont pas considérées, les dimensions de la conduite sont définies d’après la vitesse admissible.

Dans le cas, où la construction de la conduite prévoit le changement du sens du flux, les pressions locales sur la surface, transversales au sens du flux, augmentent considérablement. Cette augmentation représente la fonction de la vitesse du liquide, de la densité et de la pression initiale. La vitesse étant inversement proportionnelle au diamètre, les liquides transportés à grande vitesse nécessitent une attention particulière quant au choix des dimensions et de la configuration de la conduite. Par exemple, les dimensions optimales du tube transportant l’acide sulfurique limitent la vitesse du flux du milieu actif jusqu’à une valeur maximale qui ne provoque pas de corrosion des parois des coudes de la conduite, afin de ne pas endommager la structure du tube.

Courant par gravité d’un liquide

Les calculs des dimensions de la conduite à courant par gravité sont assez compliqués. Le caractère de passage du flux dans ce cas peut être monophasé (tube plein) ou biphasé (tube rempli partiellement). Le flux devient biphasé quand le tube transporte un liquide et un gaz en même temps.

En fonction de la proportion du liquide et du gaz dans le tube, ainsi que de leurs vitesses, le régime du flux biphasé peut varier du régime à bulles jusqu’à celui dispersé.

Courant par gravité d’un liquide

La force motrice dans le cas du courant par gravité est représentée par la différence des hauteurs de l’entrée de la conduite et de sa sortie, l’entrée se trouvant obligatoirement plus haut que la sortie. Autrement dit, la différence des hauteurs détermine la différence de l’énergie potentielle du liquide dans les positions données. Ce paramètre est également pris en considération lors du choix de la conduite. La pression au point initial et final du passage du flux influence également la valeur de la force motrice. L’augmentation de la chute de pression provoque l'augmentation de la vitesse du flux liquide, ce qui permet d'utiliser des conduites d’un diamètre restreint et vice versa.

Si le point final de la conduite est connecté à un système sous pression, par exemple à une colonne de distillation, il faut soustraire de la différence des hauteurs donnée la pression équivalente, afin de calculer la pression différentielle réelle qui est créée par cette différence des hauteurs. Dans le cas, où le point initial de la conduite est sous vide, son influence sur la valeur de la pression différentielle réelle doit être prise en considération aussi. Le choix final des tubes est réalisé compte tenu de la pression différentielle qui se base sur la différence des hauteurs du point initial et final de la conduite, mais tient également compte des facteurs indiqués ci-dessus.

Flux du liquide chaud

Le fonctionnement des installations technologiques est parfois perturbé par de différents problèmes liés au transport des milieux actifs chauds ou bouillants. Pour la plupart des cas ces problèmes sont dus à l’évaporation d’une partie du flux liquide chaud, donc à la transformation de phase d’un liquide en une vapeur à l’intérieur de la conduite ou d’une installation. La cavitation de la pompe centrifuge, accompagnée de l’ébullition partielle du liquide, provoquant l’apparition des bulles de vapeur (cavitation de la vapeur) ou la pénétration du gaz dans les bulles (cavitation du gaz), en est un exemple typique.

Il est préférable d’utiliser une conduite de grandes dimensions par rapport à celle petite compte tenu d’une vitesse inférieure du flux, mais d’un débit constant et, ainsi, d’une plus haute valeur de NPSH sur la ligne d’aspiration de la pompe. La cavitation peut également être causée par la chute de pression dans les endroits du changement brusque de direction du flux ou du rétrécissement des dimensions de la conduite. Un mélange gaz-vapeur, qui apparaît dans ce cas de figure, crée un obstacle au passage du flux et peut provoquer des défaillances de la conduite, ce qui rend le phénomène de cavitation indésirable lors de l’exploitation de la conduite.

Conduite de contournement pour les installations et les appareils

L’équipement et les dispositifs provoquant des chutes de pression considérables, tels que les échangeurs de chaleur, les soupapes de réglage et autres, sont munis des conduites de contournement (afin de ne pas interrompre le processus de production même pendant les travaux de maintenance). Ce type de conduite possède habituellement de deux vannes d'arrêt installées dans la ligne de la conduite, et d’une soupape de réglage, qui permet de contrôler le flux parallèlement à cette conduite.

Dans des conditions normales le flux liquide, en passant via les sections principales de l’installation, subit une chute de pression complémentaire, qui sert de base pour calculer la pression de pompage nécessaire, créée par les équipements attachés à l’installation, notamment par une pompe centrifuge. La pompe est choisie compte tenu de la chute de pression totale dans l’installation. Dans le cas de passage du flux via la conduite de contournement aucune chute de pression complémentaire n’est enregistrée, pendant que la pompe crée toujours la même pression conformément à ses caractéristiques de fonctionnement. Pour que les caractéristiques des flux passant via l’installation principale et via la conduite de contournement ne soient pas différentes, il est recommandé d’utiliser une conduite de contournement aux dimensions inférieures par rapport aux celles de l’installation principale est munie d’une soupape de réglage, afin de créer une pression équivalente à la pression dans l’installation principale.

Ligne de prise d'échantillons

En règle générale une petite quantité du liquide est prélevée afin de l’analyser et de déterminer sa composition. L’échantillonnage peut être réalisé à n’importe quel stade du processus de production pour déterminer la composition de la matière première, du produit intermédiaire, du produit fini ou du milieu actif transporté, tel que les eaux d’égout, un agent d'échanges thermiques etc. Les dimensions du secteur du tube sur lequel l’échantillonnage est effectué dépend habituellement du type du milieu actif analysé et du positionnement du point de prélèvement des échantillons.

Par exemple, pour un gaz à haute pression il sera suffisant d’utiliser une petite conduite munie de soupapes pour prélever la quantité nécessaire d’échantillons. Un plus grand diamètre de la ligne de prise d’échantillons permettra de réduire la quantité du milieu prélevé, quoique le processus même de prélèvement sera plus difficile à contrôler. En même temps une ligne restreinte de prise d’échantillons n’est pas à utiliser dans le cadre de l’analyse des suspensions, dont les matières solides peuvent boucher la partie d’écoulement du tube. Ainsi, les dimensions de la ligne de prise d’échantillons pour analyser des suspensions dépend pour beaucoup des dimensions des matières solides et des caractéristiques du milieu actif. Ces conclusions concernent également les liquides visqueux.

En choisissant les dimensions de la conduite pour la prise d’échantillons il faut prêter attention aux points suivants:

  • les caractéristiques du liquide à analyser;
  • les pertes du milieu actif lors du prélèvement;
  • les normes de sécurité lors du prélèvement;
  • la simplicité d’exploitation;
  • la position du point de prélèvement.

Circulation du liquide de refroidissement

Dans le cas de la circulation à l’intérieur d’une conduite d’un liquide de refroidissement, une vitesse importante sera préférable. Cela est expliqué par le fait que le liquide de refroidissement subit dans la tour aéroréfrigérante l’influence de la lumière du soleil, ce qui rend possible l’apparition de la couche d’algues, dont une partie pénètre dans le liquide de refroidissement circulant. Dans le cas d’une basse vitesse du flux les algues poussent dans le tube et commencent à poser des problèmes à la libre circulation du liquide de refroidissement ou à son passage dans l’échangeur de chaleur. Ainsi, une haute vitesse de circulation est recommandée, afin de prévenir l’apparition des bouchons d’algues dans la conduite. Le liquide de refroidissement à circulation intense est habituellement utilisé dans l’industrie chimique, nécessitant des conduites de grandes longueur et dimensions pour assurer l’alimentation par le liquide de refroidissement de différents outils d’échange de chaleur.

Débordement d’un réservoir

Les réservoirs sont munis des tubes de débordement pour les raisons suivantes:

  • afin de prévenir une perte de liquide (l’excès de liquide est transporté dans un autre réservoir et n’est pas versé à l’extérieur du premier réservoir);
  • afin de prévenir les fuites non-désirables des liquides dangereux à l’extérieur du réservoir;
  • afin de maintenir dans le réservoir un niveau nécessaire du liquide.

Dans tous les cas énumérés les tubes de débordement sont conçus de manière à garantir le flux acceptable maximal du liquide transporté dans le réservoir, indépendamment du débit du liquide à la sortie. D’autres principes de choix de ce type de tubes sont analogiques à ceux des conduites transportant un liquide par gravité, ce qui veut dire qu’un décalage de hauteurs verticales entre le point initial et celui final du tube de débordement est nécessaire.

Le point le plus haut du tube de débordement, qui est son point initial, se trouve dans l’endroit de jonction au réservoir (le tuyau de raccord de débordement de réservoir), en haut du réservoir dans la plupart des cas, pendant que le point le plus bas (le point final) peut se trouver près du chéneau évacuateur, tout près du niveau de la terre. Pourtant, la ligne de débordement peut se trouver au-dessus du point initial du tube. Dans ce cas-là, la chute de pression différentielle sera moins importante.

Flux de déchets

Dans l’industrie minière, par exemple, les minerais sont habituellement produits dans des endroits difficilement accessibles, privés de communications ferroviaires ou routières. Dans les cas pareils c’est le transport hydraulique des milieux aux matières solides, qui sera optimal, notamment si les installations minières se trouvent loin les unes par rapport aux autres. Les conduites pour déchets sont utilisées dans de différents domaines industriels pour transporter des milieux solides concassés avec un liquide. L’utilisation de ce type de conduites s’avère plus avantageuse du point de vue économique par rapport à d’autres procédés de transport du grand volume des milieux solides. En outre, grâce à l’absence d’autres types de transport l’utilisation d’une conduite de déchets est écologiquement pure et permet de sécuriser le processus de transport.

Les suspensions et les mélanges des substances en suspension se trouvent dans les liquides dans un état de mélange périodique pour maintenir leur homogénéité. S’ils ne sont pas mélangés, ces milieux sont démixtés, tandis que les particules en suspensions, en fonction de leurs propriétés physiques, flottent en surface ou descendent vers le fond du liquide. Le processus de mélange est assuré par un équipement spécial, tel qu’un réservoir à un mélangeur. A l’intérieur de la conduite le processus en question est assuré par le maintien des conditions turbulentes du passage du milieu actif.

La diminution de la vitesse du flux lors du transport des particules en suspension dans un liquide est indésirable, à cause de la possibilité de la séparation des phases, qui peut provoquer l’encrassement de la conduite et le changement du taux de concentration de la substance solide transportée dans le flux. Le mélange intense dans le volume du flux transporté est assuré par le régime turbulent du courant.

De l’autre côté, la diminution excessive des dimensions de la conduite devient souvent aussi la raison de l’encrassement de la conduite. Pour cette raison, le choix des dimensions de la conduite est une étape sérieuse et responsable, nécessitant des calculs et des analyses préalables. Chaque cas de figure doit être étudié séparément, puisque les déchets différents se comporte différemment à chaque vitesse donnée du liquide.

Réparation de la conduite

L’exploitation de la conduite peut provoquer de différents types de fuites, qui doivent être éliminées de façon urgente, afin de maintenir le système en un état opérationnel. La réparation de la conduite principale peut être effectuée par le biais des procédés variés. Cela peut être le remplacement d’un secteur entier du tube ou de sa petite partie, où les fuites ont été enregistrées, ou alors le pontage du tube existant. Il est à noter, quand même, que l’analyse minutieuse de la raison d’apparition de la fuite est indispensable pour choisir un bon procédé. Dans certains cas seul le changement de l’itinéraire de la conduite est capable de remédier aux problèmes enregistrés et de prévenir leur apparition récurrente, tout autre réparation s’avérant inutile.

Pour n’importe quel travail de réparation d’une conduite il faut d’abord déterminer quel secteur du tube nécessite une intervention, puis choisir les outils et les procédés convenables pour éliminer la fuite en fonction du type de la conduite, ainsi que recevoir la documentation et l’autorisation nécessaires dans le cas, où le secteur du tube en question se trouve sur le territoire d’un autre propriétaire. La plupart des tubes passant en sous-sol, l’extraction d’une partie du tube peut être nécessaire. Une fois le secteur extrait, le revêtement de la conduite doit être vérifié, puis une partie de ce revêtement est enlevée pour procéder directement à la réparation du tube. La réparation finie, de différentes vérifications peuvent être réalisées: tests ultrasoniques, ressuage coloré, contrôle par particule magnétique etc.

Quoique certains travaux de réparation nécessitent l’interruption totale de l’exploitation de la conduite, il est souvent possible de suspendre le processus de production pour un temps limité, afin d’isoler la section à réparer ou de préparer la conduite de contournement. Pourtant, dans la plupart des cas, les travaux de réparation sont effectués quand le processus de production est complétement arrêté. L’isolation d’un secteur de la conduite peut être effectuée à l’aide des bouchons et des vannes d'arrêt. L’équipement nécessaire est ensuite installé pour réaliser la réparation. Les travaux de réparation doivent être effectués sur le secteur endommagé libéré du milieu actif et de la pression. Une fois la réparation accomplie, les bouchons sont ouverts et le caractère intégral de la conduite est restauré.


Compresseur et soufflerie à gaz

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