Introduction
Les brides constituent un moyen mécanique de raccorder des tuyaux, des raccords (coudes, tés, etc.) et des vannes. Par rapport aux soudures, les brides sont un type de joint non permanent qui peut être facilement assemblé et démonté (idéal pour les systèmes nécessitant un entretien). Les brides sont installées par soudage, vissage ou emboîtement, et elles sont le deuxième moyen de raccordement le plus populaire après le soudage.
- Bride (lame, moyeu).
- Joint (métallique, composite ou non métallique).
- Fixations (écrous, boulons ou goujons).
Assemblage de bride
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Terminologie des brides
La terminologie et la nomenclature des brides peuvent être complexes en raison des termes, définitions et expressions similaires utilisés. Pour faciliter le processus d'apprentissage, les lecteurs doivent bien comprendre les termes suivants :
- Types de brides – se réfère au design de la bride. Les exemples de types de brides incluent le collet de soudure (collet à souder), à emboîtement, à souder sur douille, filetée, aveugle et à joint à recouvrement. Les types de brides sont sélectionnés en fonction des exigences de température et de pression, et sont identifiables par leur géométrie.
- Faces de brides – se réfère à la zone utilisée pour le scellement de la bride ; un joint est généralement installé entre les deux faces de bride opposées. Les exemples de faces de brides incluent les designs plats, surélevés, à joint annulaire (RTJ), à joint à recouvrement, à languette et rainure, et mâle et femelle.
- Surfaces de brides – se réfère à l'état de la surface de scellement de la face de bride. Une surface de face de bride peut être lisse ou striée1. La douceur d'une surface de face de bride est définie par sa moyenne de rugosité (Ra) ou sa hauteur moyenne arithmétique de rugosité (AARH).
Tous les sujets mentionnés ci-dessus seront discutés plus en détail. Il est important de réaliser qu'il y a de nombreux aspects qui influencent non seulement le type de bride choisi pour une application particulière, mais aussi quelle face et quelle surface. Par exemple :
- Certaines installations peuvent nécessiter des joints soudés qui peuvent être facilement inspectés (ce n'est pas toujours possible avec certains types de brides).
- Certaines faces de brides peuvent ne pas convenir aux systèmes à haute pression car la pression de scellement maximale est trop basse (designs à face plate).
- Certaines matières auront tendance à avoir des finitions médiocres qui produisent une surface de scellement correspondante rugueuse ; ces surfaces rugueuses nécessitent un joint si un scellement étanche doit être atteint, par exemple, des brides en fonte.
Lors de la sélection d'une bride, le matériau est choisi pour répondre d'abord aux exigences du processus, tandis que les exigences de température et de pression sont ensuite satisfaites en fonction du matériau choisi.
1‘Striations’ sont des rainures usinées coupées dans la surface de la face d'une bride. Le matériau du joint s'écoule dans les rainures, ce qui permet d'obtenir un scellement plus fiable ; les rainures aident également à maintenir le joint en place.
Joints boulonnés, filetés et soudés
Les brides sont un type de joint boulonné. D'autres types courants de joint incluent les joints filetés et les joints soudés.
- Un joint boulonné nécessite une bride et des fixations (écrous, boulons ou goujons).
- Un joint fileté nécessite un filetage mâle et femelle, le filetage mâle se vissant dans le filetage femelle.
- Un joint soudé est réalisé à l'aide d'une soudure (le processus de fusion/mélange de métal par application de chaleur).
Joint boulonné
Le type de joint utilisé dépend de nombreux facteurs, y compris la pression, la température, le type de fluide de procédé, les caractéristiques de fonctionnement du système et l'environnement environnant. Un joint boulonné peut être utilisé si :
- D'autres types de joint ne conviennent pas, par exemple, le soudage peut ne pas être possible dans des zones présentant un risque d'incendie ou d'explosion (zones Ex) ; cela concerne principalement un système de tuyauterie déjà opérationnel, pas un en construction.
- Un élément de machine doit être déconnecté de la ligne de service pour permettre l'entretien ou le remplacement de la machine.
- Un assemblage rapide sur le terrain est requis en utilisant uniquement des outils à main de base.
- L'élément (par exemple, réservoir, tuyau, machine) auquel la bride est connectée doit être fréquemment entretenu ; il est rapide et facile de démonter et d'assembler une bride, mais pas une soudure.
Certains des principaux inconvénients associés à un joint boulonné incluent :
- L'isolation d'un joint boulonné (isolation thermique) coûte plus cher que l'isolation d'un joint fileté ou soudé.
- Les joints boulonnés nécessitent plus d'espace physique que les joints filetés ou soudés.
- Chaque joint boulonné représente un point de fuite supplémentaire (même s'il est correctement assemblé).
En règle générale, les joints filetés conviennent uniquement aux applications à basse pression et température, tandis que les joints boulonnés et soudés conviennent aux applications à haute pression et haute température. Si un joint fileté doit être étanche et qu'une fuite ne peut être tolérée, il peut être soudé pour l'étanchéité. La technique de soudage pour l'étanchéité est uniquement utilisée pour des conditions de service à haute pression et n'est pas une solution idéale car elle crée un point de concentration de contrainte qui sera sujet à une défaillance par fatigue.
L'avantage des joints soudés est que la soudure peut être prouvée à l'aide de techniques de test non destructif (NDT) par exemple, tests par pénétrant, tests ultrasonores, tests par particules magnétiques, tests de pression hydrostatique, etc. ; prouver une bride -et un joint de bride- est plus difficile.
Construction des brides
Les brides sont divisées en deux zones principales, la ‘lame’, et le ‘moyeu’.
- La lame de bride englobe la zone où les boulons pénètrent à travers la bride et la face de la bride.
- Le moyeu de bride est la zone qui accueille le tuyau qui se fixe à la bride.
Pour assurer aucune fuite entre les brides accouplées2, des joints sont utilisés. Il est possible d'accoupler deux brides métalliques ensemble sans utiliser de joints, mais le scellement est difficile et ne peut être réalisé qu'avec des brides spécialement conçues.
La connexion finale spécifie comment la bride est connectée à son tuyau accompagnant (connexion filetée ou soudée).
Design de bride
2Accouplement – se réfère à la pression exercée entre deux surfaces de scellement de face de bride opposées.
Comment fonctionnent les brides
Une bride est créée lorsque deux surfaces opposées sont intentionnellement pressées ensemble pour créer un scellement étanche. Pour obtenir un scellement, une force doit être appliquée et maintenue sur chacune des faces de bride opposées. Comme de nombreuses faces de bride présentent des imperfections de fabrication (rayures, bosses, piqûres, etc.), il est nécessaire de placer un matériau plus doux entre les deux surfaces de scellement accouplées pour obtenir le scellement ; ce matériau plus doux est le joint.
Assemblage de bride
Mathématiques de base des brides
Pour comprendre comment fonctionnent les brides, nous devons d'abord comprendre le concept de pression. La pression est définie comme :
Pression = Force / Surface
P = F / A
Les brides scellent parce que la pression est appliquée sur les surfaces de scellement accouplées ; cette pression est connue sous le nom de ‘compression du joint’ ou ‘pression de scellement’. La pression appliquée provoque soit :
- Écraser un joint entre les deux faces accouplées.
- Presser les deux faces accouplées l'une contre l'autre.
Dans l'exemple du joint, le joint est déformé en raison de la pression appliquée ; cette déformation provoque le ‘flux’ du joint dans toutes les imperfections de surface qui peuvent être présentes sur l'une ou l'autre des faces de scellement. Comme les imperfections de surface ont été remplies par le matériau du joint, la fuite n'est plus possible.
Le deuxième exemple suppose qu'aucun joint n'est présent et que deux faces de bride sont pressées l'une contre l'autre. Il est difficile de créer un scellement étanche en utilisant cette méthode, bien que cela soit possible si les surfaces sont bien usinées et très propres. La pression de scellement appliquée devra souvent être significative, car la surface de la bride peut être fabriquée à partir de métal, qui ne se déforme pas facilement sous pression (dépend du matériau et de la classe de bride). Le scellement de face de bride métal sur métal est coûteux et donc peu courant.
Pour créer la pression de scellement nécessaire, les variables de force et de surface peuvent être ajustées.
- Force se réfère au couple de serrage (charge de boulonnage) appliqué aux faces de bride accouplées lorsque les écrous sur un assemblage de bride sont serrés. Force (F) dépend du couple (T) appliqué, du frottement du couple (K) et du diamètre nominal du boulon (D). La force décrite est classée comme ‘prétension du boulon’ ou ‘précharge du boulon’, ou ‘précontrainte du boulon’, et est représentée par l'équation F = T/(KD)
- Surface se réfère à la taille de la surface de scellement.
La quantité de pression sur les faces de scellement de la bride correspond à la quantité de force appliquée lors du serrage de l'assemblage de la bride. Il est donc possible de réguler la pression en ajustant la quantité d'effort exercée lors du serrage des boulons pendant l'assemblage de la bride.
La surface de scellement d'une bride ne peut pas être aussi facilement ajustée que la force utilisée lors de l'assemblage. Une plus grande surface de scellement nécessite plus de force pour obtenir une certaine quantité de pression, par rapport à l'utilisation d'une plus petite surface de scellement. L'exemple ci-dessous met en évidence ce point, mais sans l'utilisation d'unités.
Exemple
Un assemblage de bride donné nécessite une pression de 10 pour sceller. Cela peut être réalisé en appliquant beaucoup de force sur une petite surface de scellement :
Pression = Force / Surface
10 = 40 / 4
Ou, il est possible de réduire la taille de la surface de scellement (surface) et ainsi réduire la quantité de force requise pour créer la même quantité de pression3 :
10 = 20 / 2
La relation entre la pression, la force et la surface peut être brièvement résumée :
La diminution de la surface de scellement entraîne une diminution de la force requise pour créer une certaine quantité de pression.
L'augmentation de la surface de scellement entraîne une augmentation de la force requise pour créer une certaine quantité de pression.
La quantité de force qui peut être appliquée à un assemblage de bride est limitée en raison de problèmes liés à la résistance physique (les écrous sont souvent serrés à la main), au soufflage du joint4, et au défilement5 des filets des boulons de bride ; mais ces problèmes peuvent être surmontés si la taille de la surface de scellement est réduite. Le type et la taille de la surface de scellement utilisée seront dictés par les normes de tuyauterie pertinentes une fois que la température et la pression de la bride sont connues.
En se basant sur ce qui a été discuté dans cette section, il peut être déterminé que les brides requises pour sceller à des pressions plus élevées ont des surfaces de scellement plus petites. Il est possible pour un observateur de deviner la pression à laquelle un système fonctionne en inspectant visuellement les surfaces de scellement de la bride, par exemple, de grandes surfaces de scellement de bride indiquent des systèmes à basse pression.3Les normes telles que ASME B16.5 et B16.47 dictent la taille de la surface de scellement requise.
4Se réfère à l'expulsion du joint de la surface de scellement en raison de la pression ; cela se produit généralement en raison d'un serrage excessif de la bride lors de l'assemblage.
5Se réfère à l'enlèvement des filets du goujon ou du boulon ; le résultat est une pièce sphérique sans filets de vis.
Facteurs définissant les brides
Les brides sont catégorisées en fonction de certains critères, et ces catégories sont généralement définies par les normes et spécifications de tuyauterie pertinentes (discutées plus tard). Une bride est définie par
- Type – la géométrie de la bride dans son ensemble. Collet à souder, à emboîtement, et à souder sur douille, sont des exemples de différents types de brides.
- Face – la zone de scellement de la bride. Face plate, face surélevée, et joint annulaire, sont des exemples de différentes faces de brides.
- Normes et spécifications – les brides sont fabriquées pour se conformer à des normes et spécifications données. Les normes et spécifications dictent les dimensions, la géométrie, le calendrier, et le matériau, d'une bride donnée (pour ne nommer que quelques facteurs).
- Dimensions – les dimensions du moyeu, de la face, de la lame, etc. d'une bride. Les dimensions dépendent de la taille nominale du tuyau (NPS) et de la classe de pression requise pour une application donnée.
- Taille nominale du tuyau (NPS) – une unité de mesure sans dimension définissant la taille de l'élément (tuyau, raccord, etc.) qui se connecte à la bride.
- Classe de pression – la pression-température de la bride pour un matériau donné. Malgré le nom ‘classe de pression’, ce facteur est dépendant du matériau et de la température.
- Matériau – le matériau à partir duquel la bride est fabriquée, par exemple, fonte, acier au carbone, acier inoxydable, etc.
- Calendrier (SCH) – l'épaisseur/calendrier d'un tuyau. Le calendrier d'un tuyau est pertinent uniquement pour les brides à collet à souder et à joint à recouvrement car le calendrier de ces brides doit correspondre au calendrier du tuyau associé auquel elles sont connectées. Les autres types de brides s'insèrent partiellement, se vissent ou pénètrent à travers leur bride associée, ainsi le calendrier de la bride n'a pas besoin de correspondre au calendrier du tuyau. Le calendrier est pertinent pour les brides à anneau pivotant, mais celles-ci ont une application limitée et ne seront pas discutées davantage.
Tous les points mentionnés ci-dessus seront discutés dans un ordre logique dans les sections à venir. Pour l'instant, il est important de réaliser que les brides ne sont pas des éléments uniques. Les brides sont fabriquées pour un but spécifique, avec de nombreux facteurs de conception déjà pris en compte. Si une bride échoue un jour, la même bride peut -théoriquement- être commandée pour remplacer son prédécesseur6 ; cela a des avantages significatifs dans le monde réel, qui seront discutés plus tard dans la section Standardisation.
6Une analyse des causes profondes (RCA) devrait être effectuée sur toute bride qui a échoué de manière inattendue. Si la cause de l'échec n'est pas déterminée, le même échec peut se reproduire même avec une nouvelle bride.
Types de brides, faces et surfaces - Explication !
Cette vidéo fait partie de notre cours vidéo sur les fondamentaux des brides
Ressources supplémentaires
http://www.wermac.org/flanges/flanges_raised-face_flat-face_ring-type-joint.html