Qu'est-ce que les supports de tuyauterie ?
Les systèmes de tuyauterie doivent pouvoir résister aux forces internes et externes sans que le fluide de procédé ne s'échappe du système. Pour cela, des supports de tuyauterie sont utilisés. Cet article aborde les conceptions courantes des supports de tuyauterie, leurs types, leur fonctionnement, l'objectif des supports de tuyauterie et les problèmes courants associés.
Support de Tuyauterie Variable
À quoi servent les supports de tuyauterie ?
Les supports de tuyauterie sont utilisés pour :
- Soutenir le poids d'une section de tuyauterie.
- Accommoder la dilatation thermique.
- Gérer les charges de choc (coup de bélier et poussée hydraulique).
- Résister à l'activité sismique (tremblements de terre, etc.).
- Prendre en compte les charges de vent (le cas échéant).
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Comment fonctionnent les supports de tuyauterie à ressort ?
Le principe de fonctionnement des suspentes à ressort repose sur la loi de Hooke, formulée par le scientifique anglais Robert Hooke. La déformation des matériaux est mesurée en termes d'élasticité et de plasticité.
- Élasticité – lorsqu'un matériau se déforme sous l'effet d'une contrainte appliquée et revient à sa forme originale lorsque la contrainte est retirée.
- Plasticité - lorsqu'un matériau se déforme sous l'effet d'une contrainte appliquée et ne revient pas à sa forme originale lorsque la contrainte est retirée.
Dans la plage d'élasticité d'un matériau, la relation entre la contrainte appliquée et la déformation est décrite par la loi de Hooke. Cette relation est mieux comprise comme la relation entre contrainte et déformation. La déformation est exprimée comme un rapport comparant le changement de longueur à la longueur originale ; ce rapport est sans unité, c'est-à-dire qu'il n'est pas limité à une mesure de distance métrique, impériale ou autre.
Loi de Hooke
En connaissant quatre variables, il est possible de déterminer jusqu'où un matériau s'étendra sous une pression donnée. L'équation est :
Cette simple relation linéaire entre la contrainte (force) et la déformation (allongement) est formulée comme suit.
P = force produisant l'extension de la barre (lbf pour les unités impériales, Newton mètres pour les unités métriques)
= longueur de la barre (pouces impériaux, ou millimètre, centimètre, ou mètre pour les unités métriques)
A = aire de la section transversale de la barre (pouces carrés impériaux, ou millimètre, centimètre, ou mètre carré métrique)
δ = allongement total de la barre (pouces impériaux, ou millimètre, centimètre, ou mètre pour les unités métriques)
E = constante élastique du matériau, appelée Module d'Elasticité, ou Module de Young (lbf/in.2 impérial, ou Pascals (Pa) métrique)
Notez qu'un pascal est égal à un Newton par mètre carré.
La quantité E, le rapport de la contrainte unitaire à la déformation unitaire, est le module d'élasticité d'un matériau en traction ou en compression et est souvent appelé Module de Young.
Connaître l'équation ci-dessus et les quatre variables associées permet aux ingénieurs de calculer l'extension d'un ressort sous une force donnée. Cela signifie que les ingénieurs peuvent également déterminer l'extension d'un ressort dans un support à ressort sous une charge donnée.
IMPORTANT
La loi de Hooke n'est pertinente que pour les calculs dans la plage d'élasticité d'un matériau ! Une fois qu'une charge dépasse cette plage, elle entre dans la plage de plasticité, entraînant une déformation permanente. La loi de Hooke ne s'applique pas dans la plage de plasticité.
Quelle est la différence entre les supports primaires et secondaires ?
Un support primaire est directement fixé aux pièces et/ou composants du système de tuyauterie, tandis qu'un support secondaire est connecté uniquement au support primaire. Un système de tuyauterie est généralement classé comme tout élément qui soutient ou est attaché au système. Ainsi, les supports secondaires sont généralement considérés comme faisant partie d'un système de tuyauterie.
Supports de Tuyauterie Primaires et Secondaires
Classifications des Supports de Tuyauterie
Il existe différentes façons de catégoriser les supports de tuyauterie, bien que l'une des plus courantes soit par conception de construction. Les supports de tuyauterie peuvent être rigides, élastiques ou réglables.
Construction Rigide
Les supports de tuyauterie rigides sont fixés au système par soudage ou serrage. Ce type de support est très courant, a une conception simple et ne fléchit ni ne s'ajuste une fois installé. Les chaussures soudées, les chaussures à pince, les supports de fixation, les supports de vanne et les tourillons sont tous des types de support de tuyauterie rigide.
Construction Élastique
Les supports de tuyauterie élastiques permettent le mouvement du système de tuyauterie. Les systèmes à haute température utiliseront toujours des supports élastiques pour tenir compte de la dilatation thermique. Il existe deux principaux types de supports élastiques, les types variables et constants (discutés plus loin dans cet article).
Construction Réglable
Les supports de tuyauterie réglables sont similaires aux supports rigides, mais permettent un certain ajustement lors de l'installation. L'ajustement implique généralement de pouvoir faire pivoter le support pour l'aligner avec le tuyau, et/ou d'augmenter ou de diminuer sa hauteur de manière marginale pour mieux soutenir le tuyau.
Joints de Dilatation et Boucles de Dilatation
Les joints de dilatation et les boucles de dilatation sont également utilisés pour tenir compte de la dilatation thermique dans les systèmes de tuyauterie. Les exigences de maintenance associées aux boucles de dilatation sont bien moindres que celles des joints de dilatation. Les joints de dilatation ont tendance à se fissurer ou à se fracturer avec le temps, surtout lorsqu'ils sont exposés à des environnements difficiles, par exemple, les régions côtières avec un environnement salin corrosif. Pour cette raison, les boucles de tuyauterie sont devenues un choix plus populaire auprès des concepteurs de systèmes de tuyauterie ces dernières années.
Boucle de Tuyauterie
Qu'est-ce qui cause la dilatation thermique dans les systèmes de tuyauterie ?
La dilatation thermique dans le matériau de tuyauterie se produit lorsque la température du matériau augmente. À mesure que les matériaux sont chauffés, ils se dilatent en raison de l'énergie cinétique qu'ils absorbent de la chaleur. Lorsqu'un matériau est refroidi, le matériau se contracte/rétrécit.
Les tuyauteries qui fonctionnent dans une large plage de températures, par exemple, les systèmes à vapeur, se dilateront et se contracteront à mesure que la température augmente et diminue respectivement. La quantité de dilatation ou de contraction dépend du type de matériau de tuyauterie, de la longueur du tuyau et de la plage de température minimale et maximale (delta T).
Dilatation Thermique du Tuyau
Exemple
Une longueur de tuyau de 50 mètres subit une augmentation de température de 50⁰C. L'effet résultant sur la longueur du tuyau sera :
- 175mm d'allongement si fabriqué en PVC.
- 40mm d'allongement si fabriqué en cuivre.
- 25mm d'allongement si fabriqué en acier inoxydable.
Si les supports de tuyauterie ne tiennent pas compte de cette dilatation, la dilatation créera une force résultante qui agit sur tout élément fixe auquel le système de tuyauterie est attaché. La force dépassera de loin toute contrainte sur le système de tuyauterie et des dommages au système de tuyauterie et à la zone environnante sont susceptibles de se produire.
Supports à Ressort
Les supports à ressort utilisent des ressorts pour tenir compte de la dilatation thermique dans un système de tuyauterie et sont un type de support élastique. Un support à ressort contient un ressort qui est comprimé lorsqu'il est chargé. Lorsqu'il n'est pas chargé, le ressort revient/s'étend à sa forme originale.
Les ressorts peuvent être installés individuellement ou en série (empilés les uns sur les autres). Le mouvement est catégorisé en termes de direction (haut et bas) et de magnitude (distance du mouvement).
Chaque ressort a un certain nombre de spires (nombre de tours), et ces spires sont construites à partir de ‘fil’. Les spires sont enroulées pour avoir des diamètres variables selon leur conception et leur objectif ; la différence entre chaque spire est mesurée par le pas. Une grande spire est appelée ‘lâche’, tandis qu'une petite spire est appelée ‘serrée’. Les fils sont généralement fabriqués selon des diamètres de fil standard en utilisant des matériaux approuvés standard.
Nomenclature du Ressort
Comment Ajuster la Rigidité du Ressort
Ajuster l'épaisseur du fil d'un ressort ou la serrure de la spire d'un ressort ajustera sa rigidité (résistance au changement géométrique lorsqu'il est chargé). Par exemple, un ressort à fil épais nécessitera plus de force pour se comprimer qu'un ressort à fil mince. De même, un ressort enroulé ‘plus serré’ nécessitera plus de force pour se comprimer qu'un ressort enroulé ‘plus lâche’. Changer le matériau d'un fil changera également sa rigidité, car la densité et la structure des matériaux varient.
Rigidité du Ressort
Types de Supports à Ressort
Il existe deux types de supports à ressort, les types variables et constants. Les deux types peuvent être classés comme sous ou sur supports de tuyauterie. Les supports sous tuyauterie soutiennent la tuyauterie par en dessous, tandis que les supports sur tuyauterie soutiennent la tuyauterie par le dessus. Les supports suspendus sont un type de support sur tuyauterie. Les supports inférieurs sont un type de support sous tuyauterie.
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Support sous Tuyauterie (support inférieur)
Support à Ressort Constant
Le support à ressort constant est également connu sous le nom de ‘support à ressort à effort constant’. Ce type de support est conçu de manière à ce que, quelle que soit la charge exercée (par le système de tuyauterie) sur le support, la charge de soutien reste constante. La charge de soutien ne varie pas non plus, quelle que soit la position du tuyau (à condition que le tuyau soit dans la plage de travail conçue du support).
Les supports à ressort constant sont plus chers que les supports à ressort variable et sont également incapables d'ajuster automatiquement la charge ; ce sont les deux principales raisons pour lesquelles ils ne sont pas aussi courants que les supports à ressort variable. Un autre inconvénient est que le délai de livraison est plus long par rapport aux supports à ressort variable ; c'est un problème si une pièce de rechange est nécessaire rapidement.
Support à Ressort Variable
À mesure qu'un ressort est comprimé, sa résistance à une compression supplémentaire augmente, c'est pourquoi le terme ‘support à ressort variable’ est souvent utilisé pour décrire ce type de support (la force de soutien varie). Les supports à ressort variable n'offrent pas de support constant, mais sont privilégiés car ils sont moins chers que leurs homologues à support constant. En règle générale, pas plus de 25% de la charge de travail maximale (généralement la charge lorsque le système de tuyauterie est en condition opérationnelle ou ‘chaude’) ne doit être transféré à un support à ressort variable.