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Ce document vise principalement à attirer l’attention sur les facteurs qui ont une incidence directe sur la conception, l’exploitation et la maintenance des systèmes de distribution de gaz industriels.
Nous examinons pourquoi les SDG offrent souvent l’occasion de procéder à des améliorations opérationnelles et précisons les moyens pour mettre en œuvre ces améliorations. Réussir « du premier coup » la mise en place de nouveaux systèmes dans une installation demande des connaissances spécialisées et de l’expérience pour optimiser le rendement du capital investi. Dans le cas d’installations qui exploitent des systèmes existants, les coûts et les risques associés au fait de ne rien modifier dans des systèmes peu performants atteignent souvent des niveaux impossibles à gérer.
Afin de mieux cerner le défi que représente généralement un système de distribution de gaz fiable, ce livre blanc se concentre sur les difficultés rencontrées par les responsables de laboratoires ou de sites chargés de garantir l’alimentation en gaz d’applications diverses sans interruptions intempestives.
Le document traite également de sujets importants pour les personnes chargées de concevoir et de réaliser des systèmes essentiels à la productivité des équipes techniques. Nous abordons en outre les préoccupations des responsables de l’exploitation et de l’instrumentation analytique, qui ont pour mission d’atteindre des objectifs de production, de rendement et de rentabilité.
En savoir plus sur les systèmes de distribution de gaz
Les ingénieurs Swagelok construisent des systèmes de distribution de gaz uniformisés et configurables pour protéger davantage les opérateurs, augmenter la disponibilité des installations et améliorer la fiabilité et la répétabilité du process.
Introduction à la distribution de gaz
Qu’est-ce qu’un système de distribution de gaz ?
Les systèmes de distribution de gaz sont des systèmes constitués de composants spécifiques — détendeurs, flexibles, tubes, raccords, manifolds, vannes — qui acheminent des gaz issus d’une ou plusieurs sources haute pression jusqu’aux endroits où ces gaz vont être utilisés.
Où utilise-t-ton des SDG ?
Dans les installations qui utilisent régulièrement de grandes quantités de gaz industriels, l’acheminement de ces gaz jusqu’aux points d’utilisation est géré au moyen de SDG. On utilise notamment des SDG dans les contextes suivants :
Laboratoires installés sur site (p. ex. pour vérifier des échantillons)
Activités industrielles (p. ex. abris pour analyseurs)
Installations de recherche (p. ex. services de R&D, instituts publics, installations universitaires)
Entreprises des secteurs de la chimie et du gaz (p. ex. produits pétroliers, emballages)
Installations médicales
À quoi servent-ils ?
Dans les installations où des SDG sont utilisés, on reconnaît leur grand intérêt dans plusieurs domaines :
Comment sont-ils utilisés ?
En plus d’offrir la possibilité d’acheminer des gaz aux paramètres maîtrisés à plusieurs endroits d’une manière relativement simple, les SDG ont d’autres avantages importants, dans la mesure où ils permettent également de :
Acheminer en toute sécurité des gaz réactifs, toxiques et corrosifs sans fuites dangereuses
Distribuer du gaz aux points d’utilisation à une pression précise et à des débits divers
Éviter des interruptions imprévues de l’alimentation en gaz
Manipuler des gaz très purs et chers sans contamination ni perte
Remédier aux difficultés liées à la distribution de gaz
Systèmes existants et nouveaux systèmes
Lorsque l’on réfléchit au bon fonctionnement et à la maintenance d’un système de distribution de gaz, il convient de comparer les difficultés liées à l’entretien d’un SDG existant — éventuellement installé avant l’arrivée de l’équipe actuellement chargée de l’exploitation et de l’entretien — par rapport aux contraintes d’une nouvelle installation. Si les deux situations présentent des similitudes, les différences peuvent cependant amener à revoir des priorités et à mettre en avant certains points en rapport avec les performances et la maintenance.
Systèmes existants
Les ingénieurs, responsables et techniciens chargés d’exploiter et d’entretenir un SDG existant sont souvent confrontés à des obstacles liés principalement à l’origine et à la conception du système. Dans de nombreux cas, le système a été fourni gratuitement au client par un fournisseur de gaz. Si la solution est pratique, ces systèmes pourront ne pas avoir été optimisés pour rester efficaces à long terme en fonction des besoins spécifiques de l’application. Certaines difficultés peuvent survenir pour les raisons suivantes :
Un système indifférencié
Un choix limité de composants
Des raccords susceptibles de s’user au fil des opérations de maintenance
Des matériaux qui répondent à des exigences réglementaires et de performance minimales
Une optimisation et des services de dépannage limités
Sans une documentation précise, même les systèmes existants bien conçus peuvent poser des difficultés aux équipes d’exploitation et d’entretien. En général, les systèmes anciens sont moins bien étiquetés et sont moins intuitifs que des systèmes plus récents. Sans les bons schémas, on ne peut pas avoir la certitude que le système ne va pas moins bien fonctionner, voire ne plus fonctionner du tout, après une opération de maintenance ou une réparation de routine.
Ces problèmes peuvent être aggravés lorsque le système a été agrandi en y ajoutant des composants plus récents — qui proviennent souvent de fabricants autres que ceux qui ont fourni les composants d’origine. Cette accumulation de difficultés peut installer chez les ingénieurs et les responsables l’impression persistante qu’ils ont hérité des problèmes ingérables de quelqu’un d’autre. La conséquence est que même la recherche et la réparation de fuites pourront être mises de côtés ou ne plus être des priorités face à l’issue incertaine du travail de détection ou aux coûts anticipés des réparations.
Nouveaux systèmes
Après avoir examiné certains des problèmes associés à l’exploitation des anciens systèmes de distribution, penchons-nous sur les impératifs de performance liés à la conception d’un nouveau système. Bien comprendre ces impératifs — qui concernent à la fois les problèmes à corriger sur des systèmes anciens et les caractéristiques d’un nouveau système — permettra de déterminer comment rendre un système fiable et performant.
Pour chacun des quatre domaines dans lesquels on espère obtenir de bons résultats grâce à un SDG bien conçu (sécurité, économies de ressources, disponibilité et coûts), on obtiendra plus facilement les résultats souhaités en se concentrant sur trois points particuliers : la formation, le choix des composants et les conseils de professionnels.
Indépendamment de son caractère potentiellement combustible ou inflammable, tout gaz qui s’échappe d’un réseau de distribution représente un danger potentiel. Même les gaz inertes comme l’azote présentent un risque d’asphyxie, car, dans des espaces clos, ils peuvent déplacer l’oxygène de l’air au point de constituer un danger. Les gaz toxiques et réactifs représentent une menace encore plus grande en cas de fuite.
Raccords et prévention des incendies
Les incendies deviennent une menace sérieuse partout où sont réunis les trois ingrédients nécessaires à une combustion : le carburant, la chaleur et l’oxygène (comme le montre le schéma du « triangle du feu »). Bien qu’on puisse empêcher une combustion de se produire en éliminant l’un des trois ingrédients, des précautions doivent toujours être prises par rapport aux incendies dans un système de distribution de gaz. Par exemple, des concentrations non détectées d’hydrogène ou d’oxygène provenant de raccords qui fuient peuvent aboutir à une situation dangereuse propice à une combustion.
Dans la mesure du possible, des programmes de sensibilisation et de formation à la sécurité incendie devront être proposés aux concepteurs, responsables et utilisateurs de SDG. Les règlements et les bonnes pratiques propres aux gaz distribués devraient toujours être étudiés attentivement et incorporés dans les politiques et les consignes — ainsi que des vérifications régulières de leur respect — pour s’assurer que les substances dangereuses sont traitées comme il se doit. Les personnes responsables de la conception du système de distribution devront être formées à la manipulation de tous les gaz potentiellement nocifs et mentionner sur les documents de conception les endroits ou des dispositifs de sécurité ont été prévus et la raison de leur présence.
En choisissant des raccords de qualité plus résistants à l’usure, le risque de fuite peut être considérablement réduit, réduisant du même coup les risques généralement associés à la distribution de gaz réactifs ou inertes. De la même façon, choisir des régulateurs de pression dont la taille et les matériaux de fabrication sont adaptés aux applications prévues permettra de limiter les risques liés aux situations de surpression. Une sélection minutieuse de ces composants sera non seulement déterminante pour garantir la sécurité et la santé du personnel, mais pourra aussi réduire le risque de s’exposer à des risques secondaires tels que des sanctions réglementaires et/ou une mauvaise publicité résultant d’un système défaillant. En outre, bien choisir les composants d’un SDG contribue fortement aux bonnes performances et à la longévité du système.
Pour répondre au mieux aux préoccupations en matière de sécurité, il est recommandé de consulter des professionnels spécialisés dans les dangers potentiels associés à la distribution de gaz, de la phase de conception jusqu’à la mise en service du système. Dans le cas de systèmes de distribution anciens, en particulier, il est conseillé de s’adresser à des spécialistes également capables d’effectuer une détection minutieuse des fuites pour répertorier, catégoriser et hiérarchiser les possibles dangers pour la sécurité.
Un gain de temps et de ressources
Un SDG bien conçu, capable de contrôler d’une manière précise, prévisible et fiable la pression dans l’ensemble du système, contribuera à une utilisation optimale des ressources. Lorsque des composants chargés de maîtriser la pression sont inadaptés, le résultat est souvent une moindre efficacité du système, davantage de problèmes à résoudre et des effets négatifs sur la production ou la qualité.
Le comportement des composants du système
Un SDG bien conçu nécessite pour ses concepteurs de bien comprendre comment différents régulateurs interagissent entre eux pour maintenir la pression au niveau souhaité dans l’ensemble du système. Bien que les SDG soient généralement considérés comme de simples assemblages de vannes reliées par quelques tubes à des bouteilles de gaz, la réalité est beaucoup plus complexe et donne parfois lieu à de profonds malentendus. Considérons, par exemple, un phénomène connu sous le nom « d’effet de la pression d’alimentation » (SPE).
Lorsqu’une bouteille de gaz sous pression expulse le gaz qu’elle contient dans un système de distribution dont la pression est régulée, la pression à l’entrée du système chute. Si l’on demande de prévoir l’effet de cette baisse de la pression à l’entrée du système sur la pression à la sortie, il paraît logique de répondre « une baisse similaire de la pression à la sortie ».
Or, avec le SPE, c’est le contraire qui se produit : lorsque la pression diminue à l’entrée au fur et à mesure que la bouteille se vide, la pression augmente à la sortie — un résultat contre-intuitif qui en surprend plus d’un. Sans une bonne connaissance du SPE, le phénomène peut prêter à confusion et amener à croire qu’un ou plusieurs composants du système sont défaillants. On se lance alors dans des réparations inutiles qui ne seront qu’une perte de temps.
Plusieurs méthodes permettent de neutraliser le SPE, dont l’une consiste simplement à régler de nouveau la pression de sortie souhaitée manuellement. Toutefois, cette procédure est généralement compliquée et inefficace, sauf si le système est peu utilisé.
Une autre solution consiste à opter pour un détendeur avec clapet équilibré — un détendeur dans lequel la pression de sortie est équilibrée pour compenser l’effet de la chute de pression à l’entrée au moyen d’un clapet spécialement conçu.
Enfin, il est également possible d’incorporer un second détendeur au système — soit en série avec le premier, soit sous la forme d’un boîtier unique intégrant les deux détendeurs —, le détendeur aval ayant pour fonction d’inverser le SPE observé au niveau du détendeur amont. On parle alors de double détente.
Au vu de cet exemple, on comprendra facilement pourquoi il est essentiel d’avoir une bonne connaissance du fonctionnement d’un détendeur pour concevoir un SDG correctement. Une réflexion similaire est également importante pour comprendre le rôle d’autres composants comme les déverseurs par exemple — des composants qui, lorsqu’ils sont mal intégrés par mégarde dans un système, peuvent perturber voire neutraliser d’autres régulateurs présents dans ce système. Les programmes de formation proposés par des formateurs et des fabricants leaders du secteur pourront être utiles pour familiariser des ingénieurs et des responsables avec ces questions.
En plus de comprendre le comportement des régulateurs de pression, il est également important de se familiariser avec leurs caractéristiques de performance. Celles-ci sont représentées sous la forme de graphiques appelés « courbes de débit ».
Les courbes de débit
Les régulateurs contrôlent la pression. Des vannes situées en aval contrôlent le débit — c’est-à-dire le volume de gaz qui traverse le régulateur chaque seconde. À chaque régulateur correspond une courbe de débit qui renseigne sur la capacité du régulateur à maintenir la pression de sortie au niveau souhaité (axe des ordonnées sur le graphique) en fonction des variations du débit (axe des abscisses sur le graphique) qui se produisent lorsque les vannes sont ouvertes ou fermées par un opérateur. Comme on le voit sur le graphique, le débit et la pression de sortie que le régulateur est capable de maintenir varient dans des sens opposés : lorsque le débit augmente, la pression de sortie diminue et inversement.
Un examen attentif du graphique montre qu’il existe une large plage de débits à l’intérieur de laquelle les variations du débit n’entraînent qu’une faible variation de la pression maintenable (courbe proche de l’horizontale). Cette zone représente la « plage de fonctionnement idéale » du régulateur, c’est-à-dire les conditions dans lesquelles il sera le plus à même de contrôler efficacement la pression de sortie. La pente dans cette zone correspond au phénomène de baisse graduelle de la pression de sortie. Idéalement, la courbe devrait être parfaitement horizontale, mais un tel objectif est inaccessible dans la réalité.
On observe par ailleurs aux deux extrémités de la courbe des plages de débits à l’intérieur desquelles la moindre variation du débit entraîne une très forte variation de la pression maintenable. À l’extrême gauche du graphique, la partie de la courbe en pente raide correspond au phénomène de « perte de charge du siège » ou « lock-up ». Dans cette zone, le débit est faible, la vanne aval étant quasiment fermée. À l’extrême droite du graphique, la partie de la courbe en pente raide correspond au phénomène de « débit critique ». Dans cette zone, le débit est élevé, la vanne aval étant complètement ouverte ou proche de l’ouverture complète. Dans ces deux intervalles, le régulateur n’est pas en mesure d’exercer un contrôle fiable sur la pression.
En sélectionnant la courbe de débit adaptée à une « pression de réglage » donnée (la pression à laquelle un régulateur commence à fonctionner), et en effectuant quelques ajustements en fonction de la température, de pression d’entrée et de la densité du gaz utilisé, il est possible de sélectionner des régulateurs qui pourront maintenir avec fiabilité la pression au niveau souhaité en fonction des valeurs de débit prévues dans l’application.
La sélection des composants
Une fois que les caractéristiques de performance souhaitées sont bien comprises (c.-à-d. le débit par rapport à la pression), il est alors possible de sélectionner des régulateurs de pression appropriés pour n’importe laquelle des quatre catégories de sous-systèmes personnalisables qui constituent généralement un SDG performant.
raccordement à la source
commutation automatique
régulation primaire
point d’utilisation
Raccordement à la source
Le raccordement à la source correspond au « début » du SDG, à savoir le point où les sources de gaz haute pression – le plus souvent des bouteilles – alimentent le système. Ces points de raccordement peuvent être configurés — avec des composants auxiliaires appropriés comme des filtres, des tubes, des flexibles, etc. — pour une ou plusieurs sources. Cela ira d’un panneau unique à de grands manifolds pouvant accueillir plusieurs bouteilles.
Commutation automatique
La centrale de commutation automatique permet de basculer d’une source de gaz sur une autre sans interrompre l’alimentation. Le dispositif fonctionne avec deux régulateurs de pression dont les points de consigne sont décalés, de sorte que le système continue à fonctionner pendant la commutation d’une source de gaz sur l’autre.
Régulation primaire
Situé au « milieu » du système de distribution, le dispositif de régulation primaire effectue la première détente du gaz provenant de la source haute pression. Cela peut se faire au moyen d’un ou de plusieurs détendeurs qui vont réguler l’alimentation en gaz des tronçons du système situés en aval.
Point d’utilisation
Le dispositif de régulation au point d’utilisation se trouve en « fin de ligne ». C’est là que la pression du gaz est contrôlée une dernière fois, avant que celui-ci ne soit utilisé par l’application alimentée par le SDG. Ces panneaux sont généralement constitués, au minimum, d’un régulateur de pression, d’un manomètre et d’une vanne d’isolement, de manière à ce que l’opérateur puisse ajuster précisément la pression en fonction des besoins de l’application.
Les conseils de professionnels spécialisés dans le développement de systèmes de distribution de gaz vous aideront à comprendre les subtilités des régulateurs de pression pour pouvoir choisir ces composants en toute confiance. En choisissant « du premier coup » les bons régulateurs, vous vous éviterez des dépenses inutiles — matériel de contrôle, ressources pour la conception, heures de travail, etc.
Consulter des professionnels peut également être utile pour personnaliser et/ou accessoiriser correctement des composants que vous avez sélectionnés. Par exemple, les dispositifs de raccordement à la source pourront nécessiter des composants spéciaux — souvent fabriqués dans des matériaux particuliers — lorsque le système achemine des gaz sous haute pression ou des gaz dangereux comme l’oxygène.
Une plus grande disponibilité des installations
L’intérêt d’un SDG performant pour accroître la disponibilité des installations est assez facile à comprendre. En intégrant au SDG lors de sa conception des composants de qualité, performants et qui demandent peu d’entretien, il est alors possible d’alimenter en gaz à pression régulée des applications critiques — comme les analyseurs — avec un système qui ne connaîtra pratiquement aucune interruption imprévue.
Former les concepteurs et les responsables de SDG sur les régulateurs de pression permettra à ces personnes d’acquérir une compréhension intuitive du fonctionnement de composants qui permettent d’obtenir une alimentation en gaz continue, même lors du basculement d’une source sur une autre. Par ailleurs, en formant ces personnes sur les caractéristiques de toute une gamme de composants, elles seront en mesure d’incorporer à leurs systèmes des composants qui nécessitent d’être démontés moins souvent pour des opérations de maintenance.
La centrale de commutation est un composant qui contribue particulièrement au fonctionnement ininterrompu d’un SDG, surtout lorsqu’elle est automatique. Une centrale de commutation est un panneau spécial situé à l’entrée d’un SDG et qui permet à deux sources de gaz d’être raccordées au système, de sorte que, lorsqu’une bouteille est vide, la seconde prend immédiatement le relais pour assurer la continuité de l’alimentation. Une centrale de commutation automatique opère ce basculement d’une source sur l’autre sans intervention manuelle.
En consultant des professionnels spécialisés dans la conception et l’exploitation de systèmes de distribution de gaz, vous pourrez vous faire une idée claire des problèmes qui ont une incidence sur la disponibilité des installations. Travailler avec des spécialistes expérimentés et bien formés pour identifier et classer les composants en fonction de leur capacité à améliorer la disponibilité permet aux concepteurs de se concentrer davantage sur les caractéristiques qui vont réduire la fréquence des opérations de maintenance.
Des coûts réduits
Il est important de noter qu’un SDG bien conçu peut faire baisser les coûts d’exploitation. Ainsi qu’il a été dit précédemment, le fait de choisir des composants fiables fabriqués dans des matériaux adaptés à l’application peut réduire considérablement la fréquence des opérations de maintenance et d’inspection régulières, ainsi que le risque de devoir procéder à des opérations de maintenance imprévues. Par ailleurs, l’utilisation de filtres appropriés en association avec des dispositifs permettant un contrôle précis de la pression aidera à s’assurer que la production ne subira pas de contaminations et ne s’écartera pas du cahier des charges.
Une formation adéquate peut aider les responsables et les concepteurs de systèmes à davantage axer leur travail sur les aspects du fonctionnement d’un système qui ont une incidence sur les coûts. Comprendre l’influence de sujets comme la filtration en ligne ou la physique des matériaux sur les performances du système et sur la qualité des résultats obtenus en aval peut aider à éviter des dépenses imprévues. Les choix de conception – p. ex. des panneaux modulaires comportant un minimum de raccords filetés – peuvent contribuer à réduire les points de fuite potentiels, ce qui aura une incidence sur les coûts d’exploitation. Une formation aux divers aspects de la physique des matériaux en rapport avec la distribution du gaz aidera également à éviter des dépenses résultant de l’utilisation de matériaux inadaptés.
Les composants retenus pour être intégrés au système de distribution doivent toujours être sélectionnés en s’assurant de leur durabilité et doivent être méticuleusement choisis en fonction des caractéristiques de performance escomptées et des impératifs concernant les matériaux. Les courbes de débit, par exemple, changent considérablement lorsqu’on applique à l’entrée d’un détendeur des pressions pour lesquelles il n’a pas été conçu. De la même façon, certains gaz ne doivent être utilisés qu’avec des composants fabriqués dans des matériaux dont la composition chimique est adaptée à ces gaz et qui correspondent précisément aux températures prévues ainsi qu’aux pressions attendues au niveau de la source.
Conclusion
Lorsque l’on parle d’un système de distribution de gaz, chaque bonne solution est une solution sur mesure. Qu’il s’agisse de concevoir un nouveau SDG ou de remettre en état un ancien système, une attention particulière doit être portée à l’infrastructure et aux défis opérationnels propres à l’application.
Comprendre les subtilités des différentes configurations de SDG et de leurs composants peut aider une entreprise à améliorer la sécurité de ses systèmes, à économiser des ressources, à accroître la disponibilité de ses installations et, au bout du compte, à réduire ses coûts.
Même en utilisant des composants de la meilleure qualité, les besoins de débit de n’importe quelle application, auxquels s’ajoutent les interactions entre les dispositifs de raccordement à la source, les différents régulateurs de pression et les dispositifs de régulation aux points d’utilisation, nécessitent une connaissance approfondie du fonctionnement d’un système de distribution de gaz avant de concevoir une solution performante et durable.
Swagelok s’attache à diffuser ces connaissances non seulement au sein de ses propres équipes de conseillers spécialisés, mais aussi auprès de ses clients et dans l’ensemble de son secteur d’activité.
