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GAZ NATUREL LIQUEFIE : Procédés et Technologie 7.9 Rédacteur : Monsieur FLESCH

GAZ NATUREL LIQUEFIE : Procédés et Technologie 7.9 Rédacteur : Monsieur FLESCH Révision : 1 de 1992 TRAN 92.1 Ce document n’est diffusable qu’en accompagnement d’une action de formation 2/200 CONCEPTION, CONSTRUCTION ET EXPLOITATION DES RESEAUX DE TRANSPORT DE GAZ GNL : PROCEDES ET TECHNOLOGIE PARTIE 1 CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES GNL.......................................12 1 INTRODUCTION....................................................................................................13 2 LES PROPRIETES PHYSIQUES..........................................................................16 3 APPROCHE THEORIQUE DES CARACTERISTIQUES.................................17 3.1 RAPPEL D'EQUATIONS D'ETAT...........................................................................18 3.2 EXPRESSION DE QUELQUES CARACTERISTIQUES DES GAZ......................18 4 EQUATION D'ETAT DE REDLICH-KWONG...................................................20 5 DEVELOPPEMENT EN MATIERE DE CALCUL SUR LES GNL .................21 5.1 COURBE D'EQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR........................................................22 5.2 ENTHALPIE DES GNL ............................................................................................28 5.3 MASSE VOLUMIQUE .............................................................................................29 5.4 CARACTERISTIQUES PARTICULIERES .............................................................35 5.4.1 Viscosité.....................................................................................................................35 5.4.2 Conductibilité thermique............................................................................................35 5.4.3 Coefficients de transmission surfacique.....................................................................35 6 CONCLUSIONS.......................................................................................................36 PARTIE 2 RAPPEL SUR LES MATERIAUX CRYOGENIQUES..................................37 1 LES ACIERS ............................................................................................................38 1.1 LES ACIERS AUSTENITIQUES .............................................................................38 1.1.1 Le Z 2 CN 18-10 (norme française) ou 304 L (norme américaine) ...........................38 1.1.2 Le Z 2 CND 17-12 (norme française) ou 316 L (norme américaine) ........................38 1.1.3 L'invar Z 2 N 36 .........................................................................................................39 1.2 L'ACIER À 9 % DE NICKEL............................................................................................39 2 L'ALUMINIUM ET SES ALLIAGES ...................................................................39 2.1 L'ALLIAGE AU MAGNÉSIUM (NORME FRANÇAISE : AG 4 MC).....................................39 2.2 LES CUPRO-ALUMINIUM OU BRONZES CRYOGÉNIQUES ................................................39 3 LA TERRE................................................................................................................40 4 LES BETONS ...........................................................................................................40 5 LES BOIS..................................................................................................................41 6 LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR LES JOINTS ET GARNITURES..42 3/200 7 LES MATERIAUX ISOLANTS.............................................................................42 7.1 CRITERES DE CHOIX DES MATERIAUX ISOLANTS .......................................42 7.1.1 Critères physiques ......................................................................................................43 7.1.1.1 Le coefficient de conductivité thermique............................................................................... 43 7.1.1.2 Imperméabilité ....................................................................................................................... 43 7.1.1.3 Vieillissement......................................................................................................................... 43 7.1.2 Critères mécaniques ...................................................................................................44 7.1.2.1 La masse volumique............................................................................................................... 44 7.1.2.2 La contraction thermique ....................................................................................................... 44 7.1.2.3 La rigidité............................................................................................................................... 44 7.1.2.4 La tenue aux chocs................................................................................................................. 44 7.1.3 Critères de sécurité .....................................................................................................44 7.1.4 Critères de mise en œuvre ..........................................................................................45 7.1.5 Critères économiques .................................................................................................45 7.2 LES DIFFERENTS TYPES D'ISOLANTS THERMIQUES ....................................45 7.2.1 L'isolation multi-couches ...........................................................................................45 7.2.2 Les produits pulvérulents et les corps fibreux............................................................45 7.2.2.1 Espace d'isolation pressurisé.................................................................................................. 46 7.2.2.2 Espace d'isolation sous vide partiel........................................................................................ 46 7.2.3 Les corps rigides.........................................................................................................47 7.2.3.1 Le polystyrène expansé.......................................................................................................... 47 7.2.3.2 Le foamglass .......................................................................................................................... 47 7.2.3.3. Le chlorure de polyvinyle (PVC)........................................................................................... 47 7.2.3.4 Les mousses de polyuréthanne............................................................................................... 47 7.2.4 Comparaison de la conductivité thermique de différents isolants..............................48 PARTIE 3 LES MATERIELS CRYOGENIQUES.............................................................49 1 LES RESERVOIRS CRYOGÉNIQUES................................................................50 1.1 GENERALITES.........................................................................................................50 1.1.1 But du stockage à l'état liquide...................................................................................50 1.1.2 Caractéristiques générales du produit stocké .............................................................50 1.1.3 Caractéristiques générales des réservoirs...................................................................50 1.1.4 Le problème mécanique du stockage .........................................................................51 1.1.5 Le problème thermique du stockage...........................................................................52 1.1.6 Différentes conceptions de réservoirs ........................................................................53 1.2 RESERVOIRS AERIENS A CUVE INTERNE AUTOPORTANTE.......................54 1.2.1 Principe.......................................................................................................................54 1.2.2 La cuve interne en alliage cryogénique......................................................................55 1.2.3 L'isolation thermique..................................................................................................55 1.2.4 L'enveloppe externe....................................................................................................55 1.2.5 Variante : cuve interne en béton.................................................................................56 1.3 RESERVOIRS AERIENS A CUVE INTEGREE .....................................................57 1.3.1 Principe.......................................................................................................................57 1.3.2 Modes de réalisation...................................................................................................57 1.3.3 Comparaison cuve autoportante - cuve intégrée ........................................................58 4/200 1.4 RESERVOIRS AU-DESSOUS DU NIVEAU DU SOL ...........................................59 1.4.1 Réservoirs semi-enterrés ............................................................................................59 1.4.2 Réservoirs enterrés .....................................................................................................59 1.4.3 Réservoirs en sol gelé.................................................................................................59 1.4.4 Réservoirs sous pression ............................................................................................60 2 LES TUYAUTERIES CRYOGENIQUES.............................................................61 2.1 CONSIDERATIONS GENERALES.........................................................................61 2.1.1 La contraction des matériaux .....................................................................................61 2.1.2 Serrage des brides et des boulons...............................................................................62 2.1.2.1 Description du phénomène et observations d'exploitation..................................................... 62 2.1.2.2 Solutions possibles................................................................................................................. 63 2.1.3 Epreuves des canalisations .........................................................................................64 2.1.4 Pertes de charge..........................................................................................................65 2.1.4.1 Cas de conduites isolées......................................................................................................... 65 2.1.4.2 Cas de conduites non isolées.................................................................................................. 65 2.1.5 Electricité statique ......................................................................................................65 2.1.6 Givrage des tuyauteries ..............................................................................................66 2.2 LES TUYAUTERIES RIGIDES................................................................................67 2.2.1 Compensation des contractions..................................................................................67 2.2.2 Support des tuyauteries rigides...................................................................................68 2.2.2.1 Les points fixes ...................................................................................................................... 68 2.2.2.2 Supports glissants................................................................................................................... 69 2.2.3 Mise en froid des tuyauteries rigides..........................................................................69 2.2.4 Dégazage des tuyauteries rigides ...............................................................................69 2.2.5 Isolation des tuyauteries .............................................................................................70 2.2.5.1 Calcul de l'épaisseur du calorifuge......................................................................................... 70 2.2.5.2 Moyens et méthodes d'application du calorifuge ................................................................... 72 2.3 LES TUYAUTERIES FLEXIBLES ..........................................................................76 2.3.1 Les tuyauteries flexibles classiques............................................................................76 2.3.2 Tuyauterie flexible particulière ..................................................................................77 2.3.3 Problèmes rencontrés en essais et en exploitation avec les tuyauteries flexibles.......77 3 LES ROBINETS CRYOGENIQUES.....................................................................77 3.1 PRINCIPES GENERAUX.........................................................................................77 3.2 DIFFERENTS TYPES DE ROBINETS D'ARRET ..................................................78 3.2.1 Robinets à soupapes ...................................................................................................78 3.2.1.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 78 3.2.1.2 Principaux problèmes rencontrés en cryogénie avec les robinets à soupapes........................ 79 3.2.1.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 79 3.2.2 Robinets à opercule (robinets-vannes, vannes, vannes à coin...) ...............................79 3.2.2.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 79 3.2.2.2 Principaux problèmes rencontrés en cryogénie avec les robinets à opercule......................... 80 3.2.2.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 81 3.2.3 Robinets à boisseau sphérique (robinets boules, robinets à tournant)........................81 3.2.3.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 81 5/200 3.2.3.2 Principaux problèmes rencontrés en cryogénie avec les robinets à boisseau sphérique ........ 82 3.2.3.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 82 3.2.3.4 Robinet à tournant particulier................................................................................................. 82 3.2.4 Robinets à papillon.....................................................................................................83 3.2.4.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 83 3.2.4.2 Principaux problèmes rencontrés en cryogénie avec les robinets à papillon ......................... 84 3.2.4.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 84 3.2.5 Domaine d'utilisation des différents robinets d'arrêt..................................................84 3.3 VANNES DE RÉGULATION ............................................................................................85 3.3.1 Eléments constitutifs ..................................................................................................85 3.3.2 Différents types de vannes de régulation ...................................................................85 3.3.2.1 Les vannes droites conventionnelles...................................................................................... 85 3.3.2.2 Vannes à cage......................................................................................................................... 86 3.3.2.3 Vannes à obturateur rotatif..................................................................................................... 88 3.3.3 Fonctions principales assurées par une vanne de régulation......................................88 3.3.4 Particularités dues au fonctionnement cryogénique...................................................89 3.3.5 Principaux problèmes rencontrés en cryogénie avec les vannes de régulation..........89 3.3.6 Domaine d'utilisation..................................................................................................90 4 LES SOUPAPES CRYOGENIQUES.....................................................................90 4.1 PRINCIPES GENERAUX.........................................................................................90 4.2 CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT ...............................................................90 4.3 PRINCIPAUX PROBLÈMES RENCONTRÉS AVEC LES SOUPAPES UTILISÉES EN GNL.........90 4.4 LES SOUPAPES A ACTION DIRECTE ET LEVEE PROPORTIONNELLE........91 4.4.1 Description sommaire d'une soupape classique .........................................................91 4.4.2 Description sommaire d'une soupape conçue pour le fonctionnement en GNL ........92 4.5 LES SOUPAPES A ACTION DIRECTE ET OUVERTURE INSTANTANEE ......93 4.5.1 Description sommaire.................................................................................................93 4.5.2 Recherche d'améliorations sur les soupapes froides à ouverture instantanée.............94 4.6 LES SOUPAPES PILOTEES ....................................................................................95 4.6.1 Description .................................................................................................................95 4.6.2 Fonctionnement d'une soupape pilotée.......................................................................96 4.6.3 Utilisation...................................................................................................................96 4.6.4 Problèmes rencontrés .................................................................................................97 5 LES BRAS DE CHARGEMENT ET DE DECHARGEMENT CRYOGENIQUES ...................................................................................................97 5.1 PRINCIPES GENERAUX.........................................................................................97 5.2 LES TUBES ET L'EMBASE.....................................................................................97 5.3 LES RACCORDS TOURNANTS .............................................................................98 5.3.1 Conception des raccords tournants cylindriques........................................................98 5.3.2 Problèmes rencontrés .................................................................................................99 5.4 EQUILIBRAGE DES BRAS DE CHARGEMENT..................................................99 5.4.1 Bras référencés par le constructeur PCMA (type Le Havre)....................................100 6/200 5.4.2 Bras référencés par le constructeur DCMA (type Fos) ............................................100 5.4.3 Bras référencés par le constructeur RCMA (type Montoir).....................................101 5.5 LES RACCORDS RAPIDES...................................................................................102 5.5.1 Intérêt des raccords rapides ......................................................................................102 5.5.2 Raccords rapides manuels ........................................................................................102 5.5.3 Raccords rapides automatiques ................................................................................102 5.5.4 Raccords rapides pour citernes routières..................................................................104 5.5.5 Les déconnecteurs d'urgence....................................................................................104 5.6 CONCEPTION D'UN POSTE DE DÉCHARGEMENT...........................................................105 5.6.1 Généralités................................................................................................................105 5.6.2 Dimensionnement des bras.......................................................................................106 6 LE TRANSFERT DU GNL ET LES POMPES CRYOGENIQUES.................106 6.1 INTRODUCTION....................................................................................................106 6.2 DIFFERENTS TYPES DE TRANSFERTS.............................................................106 6.2.1 But ............................................................................................................................106 6.2.2 Modes de transfert....................................................................................................107 6.2.2.1 Par gravité simple................................................................................................................. 107 6.2.2.2 Par pression motrice............................................................................................................. 107 6.2.2.3 Par pompage......................................................................................................................... 108 6.3 DEFINITION ET CONSTITUTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE..................108 6.4 THEORIE GENERALE DES TURBOMACHINES A FLUIDES INCOMPRESSIBLES ........................................................................108 6.4.1 Avant-propos............................................................................................................108 6.4.2 Application du premier principe de la thermodynamique........................................109 6.4.3 Résultats des relations mécaniques fondamentales..................................................110 6.5 COURBES CARACTERISTIQUES DES POMPES ..............................................111 6.6 UTILISATION DES POMPES..........................................................................................112 6.6.1 Caractéristique résistance d'un système ...................................................................112 6.6.1.1 Conduite unique ................................................................................................................... 112 6.6.1.2 Deux conduites en parallèle à des altitudes Z1 et Z2 différentes .......................................... 113 6.6.1.3 Conduites en série ................................................................................................................ 114 6.6.2 Stabilité de fonctionnement d'une pompe ................................................................114 6.6.3 Groupement de pompes............................................................................................115 6.6.3.1 Groupement en série ............................................................................................................ 115 6.6.3.2 Groupement en parallèle ...................................................................................................... 116 6.6.4 Observations sur la mise en parallèle des pompes ...................................................116 6.6.4.1 Forme des courbes caractéristiques (pompes différentes).................................................... 116 6.6.4.2 Vitesse (pompes identiques)................................................................................................. 117 6.6.4.3 Régulation ............................................................................................................................ 118 6.6.5 Modulation du débit des pompes : deux procédés ...................................................118 6.6.6 Séquence de démarrage des pompes ........................................................................118 6.7 CAVITATION DES POMPES - NOTION DE NPSH............................................119 6.7.1 Généralités sur la cavitation .....................................................................................119 7/200 6.7.2 Etude physique de la cavitation - Illustration graphique du NPSH..........................120 6.7.2.1 Rappel sur le pompage d'un liquide en ébullition ................................................................ 120 6.7.2.2 Cavitation et NPSH.............................................................................................................. 120 6.7.3 Aspects pratiques......................................................................................................122 6.7.3.1 Définition NPSH disponible................................................................................................. 122 6.7.3.2 Diminution du NPSH requis ................................................................................................ 122 6.8 DIFFERENTS TYPES DE POMPES A GNL.........................................................122 6.8.1 Pompes centrifuges verticales ..................................................................................122 6.8.2 Pompes immergées...................................................................................................124 6.8.2.1 Généralités............................................................................................................................ 124 6.8.2.2 Description des groupes motopompes immergées de FOS et de MONTOIR...................... 124 6.8.2.3 Caractéristiques et limites de fonctionnement...................................................................... 125 6.8.3 Pompes centrifuges horizontales..............................................................................126 6.8.4 Problèmes particuliers des pompes à GNL ..............................................................126 6.8.4.1 Garniture d'étanchéité........................................................................................................... 126 6.8.4.2 Lubrification......................................................................................................................... 127 7 METROLOGIE DU GNL ET DES GAZ FROIDS ............................................128 7.1 MESURE ET DETECTION DES NIVEAUX DE GAZ NATUREL LIQUEFIE...128 7.1.1 Les jauges de niveau.................................................................................................128 7.1.1.1 Les jauges capacitives à variation continue ......................................................................... 128 7.1.1.2 Les jauges à ultrasons........................................................................................................... 129 7.1.1.3 Les jauges à mesures de pression......................................................................................... 129 7.1.1.4 Les jauges à flotteur ............................................................................................................. 130 7.1.2 Les alarmes de niveau ..............................................................................................133 7.1.2.1 Alarmes de niveau à flotteur ................................................................................................ 133 7.1.2.2 Alarmes de niveau capacitives ............................................................................................. 133 7.1.2.3 Alarmes de niveau à pression différentielle ......................................................................... 133 7.1.2.4 Alarmes de niveau à ultrasons.............................................................................................. 134 7.2 MESURE DE LA MASSE VOLUMIQUE..............................................................134 7.2.1 Description succincte des différents types de capteurs de masse volumique...........134 7.2.1.1 Capteurs à poussée d'Archimède.......................................................................................... 135 7.2.1.2 Capteurs à lame vibrante...................................................................................................... 135 7.2.1.3 Capteurs à cylindre vibrant .................................................................................................. 136 7.2.1.4 Capteurs à diélectrique......................................................................................................... 137 7.2.1.5 Capteurs à absorption de rayonnement Gamma................................................................... 138 7.2.1.6 Procédé de mesure par bullage............................................................................................. 138 7.2.2 Utilisation pratique des densimètres.........................................................................139 7.2.2.1 Le problème ......................................................................................................................... 139 7.2.2.2 La solution : le densimètre mobile ....................................................................................... 139 7.3 uploads/Finance/ object-xmldocument.pdf