Un processus instable dans la transmission

Lors du transport de liquides cryogéniques par pipeline, les propriétés spécifiques et le mode de fonctionnement de ces liquides engendrent une série de phénomènes instables, différents de ceux observés pour les fluides à température ambiante, durant la phase de transition précédant l'établissement d'un état stable. Ces phénomènes instables exercent une forte pression sur les équipements, pouvant causer des dommages structurels. Par exemple, le système de remplissage d'oxygène liquide de la fusée Saturn V aux États-Unis a subi une rupture de la conduite d'injection suite à l'ouverture d'une vanne, sous l'effet de ces phénomènes instables. De plus, ces mêmes phénomènes peuvent fréquemment endommager d'autres équipements auxiliaires (vannes, soufflets, etc.). Les principaux phénomènes instables lors du transport de liquides cryogéniques par pipeline incluent le remplissage des conduites secondaires, le remplissage après purge intermittente du tuyau de vidange et les phénomènes instables survenant lors de l'ouverture d'une vanne, créant ainsi une chambre d'air en amont. Ces processus instables ont en commun le remplissage de la cavité de vapeur par un liquide cryogénique, ce qui engendre d'intenses transferts de chaleur et de masse à l'interface diphasique, provoquant de fortes fluctuations des paramètres du système. Le processus de remplissage après l'évacuation intermittente de liquide par le tuyau de drainage étant similaire au processus instable qui se produit lors de l'ouverture de la vanne ayant formé la chambre d'air en amont, l'analyse qui suit se limite au remplissage du tuyau de dérivation borgne et à l'ouverture de la vanne.

Le processus instable de remplissage des tubes de branchement borgnes

Pour des raisons de sécurité et de contrôle du système, outre la conduite principale, des conduites de dérivation auxiliaires doivent être installées dans le réseau de canalisations. De plus, les soupapes de sécurité, les vannes de décharge et autres vannes du système sont reliées par des conduites de dérivation correspondantes. Lorsque ces conduites ne sont pas en service, des culs-de-sac se forment dans le réseau. L'influence thermique de l'environnement extérieur sur la canalisation entraîne inévitablement la formation de cavités de vapeur dans les culs-de-sac (ces cavités sont parfois utilisées pour limiter l'apport de chaleur au liquide cryogénique). Lors des variations de pression, la pression dans la canalisation augmente en raison du réglage des vannes et d'autres facteurs. Sous l'effet de cette différence de pression, le liquide remplit les chambres de vapeur. Si, lors du remplissage des chambres de gaz, la vapeur générée par la vaporisation du liquide cryogénique sous l'effet de la chaleur est insuffisante pour repousser le liquide, ce dernier continuera de remplir les chambres de gaz. Enfin, après le remplissage des chambres de gaz, un freinage brusque se produit au niveau du joint du cul-de-sac, provoquant une brusque montée en pression à proximité de celui-ci.

Le remplissage du tube borgne se déroule en trois étapes. Lors de la première étape, le liquide atteint sa vitesse de remplissage maximale sous l'effet de la différence de pression, jusqu'à l'équilibrage des pressions. Lors de la deuxième étape, par inertie, le liquide continue de progresser. La différence de pression inverse (la pression dans la chambre à gaz augmentant avec le remplissage) ralentit alors le fluide. La troisième étape, le freinage brutal, est celle où l'impact de la pression est maximal.

La réduction de la vitesse de remplissage et de la taille de la cavité d'air permet d'éliminer ou de limiter la charge dynamique générée lors du remplissage d'une canalisation borgne. Pour les longs réseaux de canalisations, le débit du liquide peut être ajusté progressivement au préalable afin de réduire la vitesse d'écoulement, et la vanne peut être maintenue fermée pendant une période prolongée.

Du point de vue structurel, différentes pièces de guidage peuvent être utilisées pour améliorer la circulation du liquide dans la conduite de dérivation, réduire la taille de la cavité d'air, introduire une résistance locale à l'entrée de la conduite ou encore augmenter son diamètre afin de réduire la vitesse de remplissage. Par ailleurs, la longueur et la position d'installation de la conduite de dérivation influent sur le choc hydraulique secondaire ; une attention particulière doit donc être portée à sa conception et à son agencement. L'augmentation du diamètre de la conduite permet de réduire la charge dynamique de manière qualitative : lors du remplissage d'une conduite de dérivation, le débit y est limité par celui de la conduite principale, que l'on peut considérer comme constant dans le cadre de cette analyse. Augmenter le diamètre de la conduite de dérivation revient à augmenter sa section, ce qui équivaut à réduire la vitesse de remplissage et, par conséquent, la charge.

Le processus instable d'ouverture des vannes

Lorsque la vanne est fermée, l'infiltration de chaleur extérieure, notamment par pont thermique, provoque rapidement la formation d'une chambre d'air devant la vanne. À l'ouverture de la vanne, la vapeur et le liquide se mettent en mouvement. Le débit de gaz étant bien supérieur à celui du liquide, la vapeur contenue dans la vanne ne s'évacue pas complètement immédiatement après, ce qui entraîne une chute de pression rapide. Sous l'effet de cette différence de pression, le liquide est propulsé vers l'avant. Lorsque le liquide atteint la limite d'ouverture partielle de la vanne, un freinage se produit, provoquant des percussions d'eau et générant une forte charge dynamique.

La méthode la plus efficace pour éliminer ou réduire la charge dynamique générée par l'instabilité lors de l'ouverture de la vanne consiste à diminuer la pression de service pendant la phase de transition, afin de réduire la vitesse de remplissage de la chambre à gaz. De plus, l'utilisation de vannes à haute précision de contrôle, la modification de l'orientation de la conduite et l'introduction d'une conduite de dérivation spéciale de petit diamètre (pour réduire la taille de la chambre à gaz) contribuent à réduire cette charge dynamique. Il convient de noter que, contrairement à la réduction de la charge dynamique obtenue lors du remplissage d'une conduite secondaire par augmentation de son diamètre, lors de l'instabilité liée à l'ouverture de la vanne, l'augmentation du diamètre de la conduite principale équivaut à réduire la résistance uniforme de la conduite, ce qui accroît le débit d'air dans la chambre remplie et, par conséquent, la résistance à l'arrachement.

Équipement cryogénique HL

HL Cryogenic Equipment, fondée en 1992, est une marque affiliée à la société HL Cryogenic Equipment Co., Ltd. Spécialisée dans la conception et la fabrication de systèmes de tuyauterie cryogénique à isolation sous vide poussé et d'équipements associés, HL Cryogenic Equipment répond aux besoins variés de ses clients. Les tuyaux et flexibles à isolation sous vide sont fabriqués à partir de matériaux isolants spéciaux multicouches à écrans multiples et sous vide poussé. Ils subissent une série de traitements techniques rigoureux, notamment un traitement sous vide poussé, et sont utilisés pour le transport d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, d'éthylène gazeux liquéfié (LEG) et de gaz naturel liquéfié (GNL).

La gamme de produits de HL Cryogenic Equipment Company, composée de tuyaux, flexibles, vannes et séparateurs de phases à double enveloppe sous vide, a subi une série de traitements techniques extrêmement rigoureux. Ces produits sont utilisés pour le transfert d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, de GNL et de LEG. Ils sont destinés aux équipements cryogéniques (réservoirs cryogéniques, dewars, boîtes froides, etc.) dans les secteurs de la séparation de l'air, des gaz, de l'aéronautique, de l'électronique, des supraconducteurs, des semi-conducteurs, de l'assemblage automatisé, de l'agroalimentaire, de la pharmacie, des hôpitaux, des biobanques, du caoutchouc, de la fabrication de nouveaux matériaux, du génie chimique, de la sidérurgie et de la recherche scientifique, etc.