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Les installations de gaz naturel liquéfié (GNL) représentent certains des environnements les plus complexes et les plus exigeants du secteur de l'énergie, exigeant une attention méticuleuse à la conception des conduites, aux calculs techniques et au strict respect des normes de l'industrie.

Comprendre le GNL et ses défis uniques

Le gaz naturel est liquéfié en abaissant la température de l'hydrocarbures à environ - 260 °F, ce qui permet de transporter à la pression atmosphérique sous forme de GNL. Cette température extrême crée des défis uniques pour la conception du système de tuyauterie qui diffèrent sensiblement des applications de tuyauteries de procédé classiques.

La liquéfaction du gaz naturel est effectuée dans des installations appelées trains GNL qui ont un réseau complexe de pipelines circulant entre différentes sections du train. Ces systèmes de tuyauterie doivent maintenir l'intégrité structurale tout en manipulant des fluides cryogéniques, accueillir une expansion et une contraction thermiques importantes et empêcher tout rejet d'hydrocarbures pendant l'exploitation normale de l'usine.

Les liquides cryogéniques sont ceux qui ont des points d'ébullition à la pression atmosphérique supérieure à cette limite de température. Les liquides cryogéniques courants comprennent l'argon (-186°F), l'hélium (-452°F), l'hydrogène (-423°F), l'azote (-321°F), l'oxygène (-297°F) et le méthane (-256°F). Les températures extrêmement basses du GNL imposent des exigences extraordinaires aux matériaux de tuyauterie, exigeant une sélection minutieuse pour prévenir les fractures fragiles et maintenir la ductilité.

Calculs critiques dans la conception du pompage au GNL

La conception de systèmes de tuyauterie pour les installations de GNL implique plusieurs calculs techniques critiques qui constituent le fondement d'un fonctionnement sûr et efficace. Ces calculs doivent tenir compte des propriétés uniques des fluides cryogéniques et des conditions de fonctionnement extrêmes.

Analyse de la chute de pression

Les calculs hydrauliques exigent une chute de pression inférieure à 0,86 MPa à 740 m3/h pour les applications typiques de GNL. Ces calculs doivent tenir compte des propriétés du fluide aux températures cryogéniques, de la rugosité du tuyau, des raccords, des vannes et d'autres composants qui contribuent à la résistance globale du système.

Les principes du débit de fluide ne sont pas simples en raison de l'interdépendance de la chute de pression et du frottement, et cette directive de conception couvre les éléments de base dans le domaine du choix des matériaux de débit de fluide de tuyauterie et du calibrage des conduites.

Détermination de l'épaisseur du mur

Il est essentiel de calculer l'épaisseur de paroi requise pour les conduites GNL pour que le système puisse résister en toute sécurité aux pressions internes tout en maintenant l'intégrité structurale à des températures cryogéniques.

Les exigences de conception et les critères d'acceptation des systèmes de canalisations GNL sont fondés sur des codes reconnus comme ASME B31.3 et ASME BPVC, qui énoncent les spécifications nécessaires pour assurer la sécurité, l'efficacité et la conformité en matière de manutention de la pression, de normes de matériaux et d'analyse de la flexibilité, en mettant l'accent sur les calculs de conception concernant l'épaisseur de paroi, la chute de pression et les préoccupations de flexibilité.

Calculs de l'expansion thermique et de la contraction

La dilatation thermique représente l'une des considérations les plus critiques de conception pour les systèmes de canalisations GNL en raison des différences de température extrêmes entre les conditions ambiantes et les températures de fonctionnement. La conception des systèmes de tuyauterie doit tenir compte de la dilatation thermique parce que les changements de température entraînent l'expansion et la contraction des matériaux de tuyauterie, et si cette modification de la taille n'est pas prise en compte dans la conception, le système peut être endommagé par des conditions de travail normales, ce qui peut entraîner des fuites et même une défaillance.

Si un tuyau est soumis aux deux extrémités, car il chauffe la dilatation linéaire, il causera une contrainte de compression sur le matériau et, lorsque cette force excessive dépasse la contrainte admissible sur le matériau, il en résultera des dommages au tuyau et aux supports, raccords et valves potentiels. Le calcul de la dilatation thermique doit tenir compte du coefficient de dilatation thermique pour le matériau de tuyauterie, de la longueur des conduites et de la différence de température entre l'installation et les conditions de fonctionnement.

Les récipients et les tuyaux remplis de fluides nécessitent un soulagement de la pression pour protéger contre la perte de confinement causée par l'expansion thermique du fluide, qui se produit lorsque le fluide est chauffé par le traçage de la vapeur, le rayonnement solaire, le feu extérieur, etc. Ceci est particulièrement important dans les systèmes GNL où les sections bloquées de tuyauterie peuvent subir une augmentation de pression rapide si elles sont réchauffées.

Analyse de flexibilité et calculs du stress

L'analyse de la contrainte de conduite a pour principaux objectifs d'assurer la capacité structurelle par rapport à la pression, aux différentes charges du cycle de vie, aux différents scénarios d'exploitation et aux charges des structures de support.

Les ingénieurs utilisent généralement des logiciels spécialisés comme CESAR II pour effectuer une analyse complète des contraintes qui tient compte des charges soutenues (pression et poids), des charges de déplacement (expansion thermique) et des charges occasionnelles (vent, sismique, décharge de soupape de décompression).

La compréhension de la distinction entre charges prolongées et charges de déplacement (thermiques) est essentielle à l'analyse de la flexibilité de la tuyauterie et, lorsqu'un système de tuyauterie se réchauffe pour la première fois, les contraintes thermiques peuvent dépasser la résistance du matériau à l'écoulement en des points localisés (boues, branchements), provoquant une déformation plastique qui crée des contraintes résiduelles.

Calculs de l'écart de prise en charge

Les échelles de soutien doivent éviter l'élagage, permettant une déviation maximale de 12 mm. Un espacement approprié du support est essentiel pour prévenir une déformation excessive des tuyaux, minimiser les concentrations de contraintes et assurer que le système de tuyauterie conserve son alignement tout au long de sa durée de vie opérationnelle.

Normes de l'industrie et conformité à la réglementation

La conformité aux normes reconnues à l'échelle internationale n'est pas facultative dans la conception des conduites de GNL, c'est une exigence fondamentale qui assure la sécurité, la fiabilité et la conformité juridique.

ASME B31.3 Code de tuyauterie de procédé

L'ASME B31.3 contient des exigences pour les tuyauteries habituellement présentes dans les raffineries de pétrole; les usines de fabrication de produits chimiques, pharmaceutiques, d'hydrogène, de textiles, de papier et de pâtes, de production d'électricité, de semi-conducteurs et de cryogéniques; et les usines et terminaux connexes.

Les systèmes de tuyauterie doivent être conformes à l'ASME B31.3 et résister efficacement aux pressions de conception. Le code fournit des exigences complètes concernant les matériaux, la conception, la fabrication, le montage, l'érection, l'examen, l'inspection et l'essai des systèmes de tuyauterie. L'application attentive de ces codes B31 aidera les utilisateurs à se conformer aux règlements applicables dans leur juridiction, tout en réalisant les avantages opérationnels, les coûts et la sécurité à tirer des nombreuses pratiques exemplaires de l'industrie décrites dans ces volumes.

Le code le plus courant pour la conception et la construction des systèmes de tuyauterie est ASME B31.3, et depuis son introduction en 1935, il a guidé l'Amérique du Nord et la plupart du monde dans la fabrication et l'utilisation sécuritaires des tuyauteries de procédé dans les entreprises d'ingénierie, les fabricants d'équipement, l'énergie, l'aérospatiale et de nombreuses autres industries, et ASME B31.3 est utilisé quotidiennement, souvent référencé et bien compris.

ASME B31.12 Pipes et pipelines à hydrogène

Pour certaines applications de GNL, en particulier celles qui concernent l'hydrogène ou qui nécessitent des mesures de sécurité renforcées, l'ASME B31.12 peut être applicable. B31.12 partage des similitudes avec le code B31.3 plus connu de l'ASME, avec un bref aperçu des similitudes et des différences entre l'ASME B31.3 et le B31.12, en mettant l'accent sur leur application en service cryogénique.

ASME B31.3 n'a pas d'exigences pour un système qualité indiqué dans le code, alors que, en revanche, ASME B31.12 exige un système qualité et détaille les exigences dans le code, et pour être conforme aux exigences de cette section, il est une pratique exemplaire de l'industrie pour chaque organisation d'avoir un programme de gestion de la qualité certifié ISO 9001 en place.

Normes API pour les applications GNL

L'American Petroleum Institute (API) publie plusieurs normes concernant les installations de GNL, dont l'API 620 pour les grands réservoirs soudés à basse pression et l'API 625 pour les systèmes de stockage frigorifique de gaz liquéfié, qui complètent les codes ASME en fournissant des exigences spécifiques pour les équipements de stockage et de manutention associés aux systèmes de tuyauterie GNL.

L'Institut hydraulique et l'API publient des normes pour les charges admissibles de buses de pompe, et les fabricants d'autres équipements auront des limites sur les charges de connecteurs.Ces normes permettent de s'assurer que les systèmes de tuyauterie sont conçus pour être compatibles avec l'équipement connecté et n'imposent pas de charges excessives qui pourraient entraîner une défaillance de l'équipement.

Normes internationales et régionales

Au-delà des normes nord-américaines, les installations de GNL peuvent devoir se conformer aux normes internationales telles que la norme EN 13480 pour les tuyauteries industrielles métalliques dans les applications européennes.

Sélection de matériel pour le service cryogénique

Le choix des matériaux est l'une des décisions les plus critiques dans la conception des conduites GNL. Les températures extrêmes basses du service GNL éliminent de nombreux matériaux couramment utilisés dans les applications de tuyauterie conventionnelles en raison du risque de fracture fragile.

Aciers inoxydables austénitiques

Les matériaux les plus couramment utilisés dans les tuyauteries à pression cryogénique sont l'acier inoxydable austénitique (304/304L et 316/316L) et l'aluminium. Les aciers inoxydables austénitiques maintiennent leur ductilité et leur ténacité à des températures cryogéniques, ce qui les rend idéales pour le service GNL.

S304/L ou S316/L peuvent être utilisés jusqu'à –425°F sans essai d'impact à condition que le matériau soit en solution recuite. Cela rend ces matériaux particulièrement attrayants pour les applications de GNL où la température de fonctionnement est généralement d'environ -260°F. Le tableau 323.2.2 comporte des restrictions incluant une teneur en carbone inférieure à 0,1% et le matériau doit être recuite par solution, et aucune de ces restrictions ne sont problématiques, la première limite aux nuances de carbone 304L et 316L (ou à deux grades), tandis que le recuit de solution est nécessaire pour les pratiques de fabrication de ces matériaux lorsqu'il est commandé selon les spécifications ASTM.

Alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium offrent d'excellentes propriétés cryogéniques et sont couramment utilisés dans le service GNL, en particulier pour certaines applications où le poids est une considération. Dans le cas de l'aluminium, la température minimale autorisée pour une utilisation sans essai de ténacité est de –452°F, et donc, pour les matériaux en aluminium énumérés dans le tableau A-1 utilisés à des températures cryogéniques, aucun essai de ténacité n'est requis pour des températures à –452°F ou plus.

Cette capacité exceptionnelle à basse température fait de l'aluminium une option attrayante pour les conduites GNL, bien que les concepteurs doivent tenir compte d'autres facteurs tels que la compatibilité avec les équipements connectés, les caractéristiques de dilatation thermique et les exigences de résistance mécanique.

Aciers au nickel

Pour le GNL, la température cryogénique peut être de -165°C, de sorte que des matériaux comme A304L, 316, 321 et 347 et aussi 9% d'acier nickel ou 7% peuvent être utilisés.

Exigences en matière de traçabilité des matériaux

L'ASME B31.3 n'exige pas explicitement la traçabilité des matériaux, tandis que l'ASME B31.12 exige la traçabilité du rapport d'essai des matériaux (RTM) à chaque composant.

Systèmes d'isolation thermique

Une isolation thermique efficace est essentielle pour les systèmes de canalisations GNL afin de réduire au minimum le gain de chaleur, de prévenir la formation de glace sur les surfaces extérieures, de maintenir la température des procédés et de protéger le personnel contre les brûlures cryogéniques.

Piments à isolation par vide

Des tuyauteries de pression Cryoline isolées à vide ont été développées pour le transport de LIN, LOX, LAR, GNL, LHe, LH2 et GNL. Les tuyauteries isothermes à vide (VIP) offrent des performances thermiques supérieures en éliminant le transfert convectif et conductif de chaleur par l'espace annulaire entre le tube intérieur et la veste extérieure.

Cela offre une solution optimale pour l'isolation des matériaux cryogéniques et leur transport, garantissant la qualité grâce à la vérification conformément au code ASME B31 et d'autres, comme les directives 2014/68/EU et TR CU 032/2013. Les systèmes VIP sont particulièrement avantageux pour les longs parcours de tuyaux, les lignes de processus critiques et les applications où la réduction des fuites de chaleur est essentielle pour l'efficacité du processus.

Systèmes d'isolation conventionnels

Pour les applications où les canalisations isolées sous vide ne sont pas économiquement justifiées, les systèmes d'isolation conventionnels utilisant des matériaux tels que la mousse de polyuréthane, la perlite ou le verre cellulaire peuvent fournir des performances thermiques adéquates. Ces systèmes doivent être conçus avec des barrières de vapeur appropriées pour empêcher l'infiltration d'humidité et la formation de glace dans l'isolation, ce qui pourrait dégrader les performances thermiques et endommager le système de canalisation.

La procédure de modélisation de la tuyauterie comprend l'attribution de la pression, de l'épaisseur et de la densité de la couche d'isolation, car ces paramètres influent sur le poids global du système de tuyauterie et doivent être pris en compte dans la conception du support et l'analyse des contraintes.

Conception de joint d'extension et de flexibilité

L'adaptation de la dilatation thermique et de la contraction est l'un des aspects les plus difficiles de la conception des conduites GNL en raison des différences de température extrêmes en cause.

Boucles d'expansion

La boucle U est la configuration la plus courante pour les pipelines et les tuyauteries de traitement, offre une flexibilité maximale par unité de longueur de tuyau développée, et la boucle s'étend perpendiculairement à la conduite de tuyau, absorbant la croissance thermique axiale par flexion des jambes offset.

La boucle d'expansion est généralement située sur le côté de la ligne la plus chaude, la boucle d'expansion, en règle générale, devrait être située au centre de la distance entre deux ancres, et la hauteur de la boucle d'expansion est normalement deux fois plus large. Ces lignes directrices de conception permettent de garantir que les boucles d'expansion fonctionnent efficacement tout en minimisant les besoins en espace et les coûts du matériel.

Joints d'expansion mécanique

Dans les cas où la flexibilité naturelle ne peut être atteinte, les joints d'expansion de tuyaux sont nécessaires et les joints d'expansion peuvent utiliser des soufflets, des flexibles et des tresses, des joints à billes, des raccords flexibles ou des mécanismes de glissement, et tous ont leurs propriétés uniques qui sont appropriées pour un système donné.

L'appendice B31.3 X contient des règles pour les joints d'expansion, qui fournissent des conseils sur la sélection, l'installation et l'entretien de ces composants critiques. Pour le service GNL, les joints d'expansion doivent être soigneusement sélectionnés pour assurer la compatibilité avec les températures cryogéniques et doivent être conçus pour permettre les mouvements prévus sans dépasser les limites de contrainte admissibles.

Flexibilité naturelle par l'acheminement

La meilleure configuration de tuyauterie est la moins coûteuse à long terme, exigeant une prise en compte du coût d'installation, de l'effet de perte de pression sur la production, de la préoccupation de niveau de contrainte, de la défaillance de la fatigue, des effets de support et d'ancrage, de la stabilité, de la facilité d'entretien, de la capacité d'expansion parallèle et d'autres.

Systèmes de protection contre les pressions et les surpressions

Les systèmes de secours de sécurité sont essentiels pour protéger les conduites de GNL contre les surpressions qui pourraient résulter de l'expansion thermique du liquide piégé, des perturbations du processus, de l'exposition à l'incendie externe ou de défaillances de l'équipement.

Taille et sélection des soupapes de secours

Les soupapes de décompression pour le service GNL doivent être dimensionnées de façon à pouvoir supporter le scénario de décompression le plus crédible tout en maintenant la contre-pression dans des limites acceptables. Le calcul du calibrage doit tenir compte des propriétés du GNL dans des conditions de décompression, y compris la densité, la viscosité et la pression de vapeur.

Les soupapes de décompression doivent être construites en matériaux adaptés au service cryogénique et être conçues pour fonctionner de façon fiable aux températures extrêmement basses rencontrées dans les applications de GNL. La décharge de la soupape doit être acheminée vers un endroit sûr, généralement un système de fusée ou une cheminée d'évent, où le gaz libéré peut être dispersé ou brûlé en toute sécurité.

Exigences en matière de protection thermique

Outre l'établissement des exigences de décompression thermique requises, il est également utile d'établir la pression maximale qui peut être atteinte lors d'un chauffage limité pour les systèmes remplis de fluides non ventilés ou partiellement ventilés, et afin d'obtenir de meilleures estimations de la pression maximale atteinte, il faut tenir compte de l'élasticité de la tuyauterie/du bateau.

Les sections de tuyauteries GNL bloquées sont particulièrement vulnérables à la surpression due à l'expansion thermique. Même de faibles quantités de chaleur peuvent provoquer une augmentation de pression importante dans un système à liquide. Chaque section de tuyauterie qui peut être isolée par des vannes doit être protégée par un dispositif de décompression de dimension appropriée ou doit être conçue pour résister à la pression maximale qui pourrait se développer.

Exigences en matière de soudage et de fabrication

Le soudage des canalisations GNL nécessite des procédures spécialisées, des soudeurs qualifiés et un contrôle rigoureux de la qualité pour assurer l'étanchéité des joints qui maintiennent leur intégrité à des températures cryogéniques.

Procédures de soudage et qualifications

Les deux codes se réfèrent au code de soudage ASME Sec. IX et utilisent les mêmes procédures pour le service des fluides. Les spécifications de la procédure de soudage (WPS) doivent être élaborées et qualifiées spécifiquement pour les matériaux et épaisseurs utilisés dans le service GNL, en accordant une attention particulière au maintien des exigences d'entrée de chaleur, de température d'inter-passer et de traitement thermique post-soudée.

Les deux types de soudures B31.3 et B31.12 exigent des essais de résistance/de choc sur des échantillons de matériaux P8 (exemple : S304/L et 316/L) et entraînent une dilatation latérale minimale supérieure à 0,015 pouce (0,38 mm).

Examen non destructif

Les deux types de soudures doivent être soumis à un examen non destructif (EMI) des limites de pression finies. L'étendue et les critères d'acceptation des EMI peuvent varier selon les exigences spécifiques du code et la criticité du service. Les méthodes communes d'EMI pour les conduites de GNL comprennent les essais radiographiques, les essais ultrasoniques, les essais de pénétration liquide et les essais de particules magnétiques pour les matériaux ferritiques.

Bien que les normes ASME B31.12 et ASME B31.3 partagent des points communs, elles présentent encore des différences dans leurs exigences, en particulier dans les systèmes de qualité, dans l'étendue des EMI requises et les critères d'acceptation pour les EMI exécutés, et certaines des différences qui sont pertinentes pour les produits ont été illustrées.

Essais de pression et mise en service

Il est essentiel de procéder à des essais et à des mises en service approfondis pour vérifier l'intégrité des systèmes de tuyauterie GNL avant leur mise en service.

Essais hydrostatiques et pneumatiques

Les essais de pression sont une méthode utilisée pour effectuer des essais de résistance et d'étanchéité d'un pipeline impliqué dans le transport d'hydrocarbures, et cet article met l'accent sur l'importance des essais de pression pneumatique du système de tuyauterie transportant des hydrocarbures (gaz naturel en particulier) comme méthode propre et plus sûre assurant que le système est bien construit.

Les joints filetés et les joints de tuyauterie n'ont plus besoin d'être testés conformément à l'essai ASME B31.3, et l'essai de fuite sous vide a été inclus comme alternative à la méthode de pression interne. Ces mises à jour du code offrent une flexibilité supplémentaire dans les méthodes d'essai tout en maintenant les normes de sécurité.

Refroidissement et fonctionnement initial

Le refroidissement initial des systèmes de tuyauterie GNL doit être soigneusement contrôlé pour éviter les chocs thermiques et les contraintes thermiques excessives. Les procédures de refroidissement progressif permettent au système de tuyauterie de se contracter uniformément et permettent aux joints de soutien et d'expansion de fonctionner comme prévu.

Au cours du fonctionnement initial, une surveillance attentive des performances du système, y compris les chutes de pression, les températures, les niveaux de vibrations et les charges de soutien, aide à identifier les problèmes qui nécessitent une correction avant le début du fonctionnement à grande échelle.

Prévention de la corrosion et compatibilité des matériaux

Si les températures cryogéniques réduisent généralement les taux de corrosion, les systèmes de canalisations GNL exigent toujours une attention particulière à la compatibilité des matériaux et à la prévention de la corrosion pour assurer une fiabilité à long terme.

Protection contre la corrosion externe

Les surfaces extérieures des conduites GNL, en particulier dans les zones où l'isolation est endommagée ou l'humidité peut s'accumuler, peuvent être soumises à la corrosion. Des systèmes de revêtement appropriés, des barrières à l'humidité et des inspections régulières aident à prévenir la corrosion externe.

Compatibilité interne

Le GNL est généralement non corrosif pour des matériaux correctement sélectionnés, mais les impuretés dans le flux de gaz naturel, comme le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de carbone ou l'eau, peuvent causer la corrosion ou d'autres mécanismes de dégradation.

Prévention du crackage de corrosion du stress

Les aciers inoxydables austenitiques peuvent être sensibles à la corrosion sous contrainte dans certains environnements, en particulier en présence de chlorures. Bien que les températures cryogéniques inhibent généralement la corrosion sous contrainte, les zones où la tuyauterie fonctionne à des températures intermédiaires ou où une contamination externe est possible nécessitent une sélection et une conception minutieuses des matériaux pour empêcher ce mécanisme de défaillance.

Systèmes de soutien et considérations structurelles

Une conception adéquate du support est essentielle pour maintenir l'alignement de la tuyauterie, contrôler les contraintes et assurer la sécurité de l'exploitation de l'installation GNL.

Types de support et sélection

Les systèmes de tuyauteries GNL utilisent divers types de support, notamment des supports rigides, des cintres à ressort, des supports à effort constant et des supports coulissants. La sélection dépend des exigences spécifiques de chaque emplacement, compte tenu de facteurs tels que le mouvement thermique, l'amplitude de la charge et la nécessité de contrôler l'élévation ou l'alignement de la tuyauterie.

Les supports pour tuyauteries cryogéniques doivent être conçus pour réduire au minimum le transfert de chaleur de la structure de support vers la conduite froide, en utilisant généralement des matériaux isolants ou des chaussures de support prolongées qui permettent au point de support de rester à une température compatible avec la structure de support.

Ancrage et conception de guide

Les ancrages doivent être conçus pour résister aux forces imposées par l'expansion thermique, tandis que les guides permettent un déplacement contrôlé dans des directions spécifiques. L'emplacement et la conception des ancrages et des guides influencent de façon significative la répartition des contraintes dans tout le système de tuyauterie.

Considérations sismiques

Les installations de GNL dans les régions à activité sismique nécessitent des systèmes de canalisation conçus pour résister aux charges sismiques. L'analyse sismique tient compte de la réponse dynamique du système de canalisation au mouvement au sol, en veillant à ce que les contraintes demeurent dans des limites acceptables et à ce que les composants critiques maintiennent leur intégrité pendant et après un événement sismique.

Considérations opérationnelles et entretien

La fiabilité à long terme des systèmes de canalisations GNL dépend des bonnes pratiques d'exploitation et des activités d'entretien régulières.

Programmes d'inspection et de surveillance

Les programmes d'inspection réguliers aident à cerner les problèmes potentiels avant qu'ils ne se traduisent par des défaillances. Les activités d'inspection peuvent comprendre l'examen visuel des surfaces extérieures et de l'isolation, des mesures d'épaisseur ultrasonore pour détecter la corrosion ou l'érosion, la surveillance des vibrations pour identifier les problèmes de vibration induits par l'écoulement et l'imagerie thermique pour détecter la dégradation de l'isolation ou les sources de chaleur inattendues.

Pratiques exemplaires en matière d'entretien

Les activités d'entretien des systèmes de canalisations GNL doivent être soigneusement planifiées et exécutées pour maintenir l'intégrité du système, notamment l'inspection et l'essai réguliers des soupapes de surpression, l'entretien des systèmes d'isolation, la vérification de la fonctionnalité du support et l'essai périodique des fuites des joints et des raccords critiques.

Tenue de registres et documentation

La documentation complète des calculs de conception, des certifications de matériaux, des dossiers de soudage, des résultats d'essais et des activités de maintenance fournit des renseignements essentiels pour le fonctionnement continu et les modifications futures.

Considérations de conception avancées

Les installations modernes de GNL intègrent des caractéristiques et des technologies de conception avancées pour améliorer la sécurité, l'efficacité et la fiabilité.

Analyse de la dynamique des fluides informatiques

L'analyse de la dynamique des fluides informatiques (CFD) peut fournir des renseignements détaillés sur les schémas de débit, les distributions de pression et le comportement thermique dans les configurations complexes des canalisations. Cette analyse aide à optimiser les configurations des canalisations, à identifier les problèmes potentiels tels que les vibrations ou l'érosion induites par le débit et à vérifier que les hypothèses de conception sont valides.

Analyse des éléments finis

CAESAR-II, a commercial software is used for finite element analysis of piping systems. Advanced finite element analysis enables detailed evaluation of stress distributions, support loads, and equipment nozzle loads under various operating conditions. This analysis capability allows designers to optimize piping configurations and support arrangements while ensuring compliance with code requirements.

Inspection et gestion de l'intégrité fondées sur le risque

Pour les systèmes de canalisations GNL, RBI aide à concentrer les ressources sur les composants les plus critiques tout en maintenant l'intégrité globale du système. Les programmes de gestion de l'intégrité intègrent les données d'inspection, l'historique opérationnel et l'analyse technique pour prendre des décisions éclairées au sujet de la poursuite de l'exploitation, de la réparation ou du remplacement des composants de tuyauterie.

Étude de cas : Application pratique des principes de conception

Pour illustrer l'application de ces principes de conception, il faut envisager une ligne de transfert GNL typique reliant un réservoir de stockage à une unité de vaporisation. Cette ligne fonctionne à environ - 260°F et doit gérer des débits jusqu'à 1000 m3/h à des pressions allant jusqu'à 10 bars.

Sélection du matériel

Pour cette application, l'acier inoxydable 316L a été sélectionné en fonction de ses excellentes propriétés cryogéniques, de sa résistance à la corrosion et de sa disponibilité. Le matériau répond aux exigences de l'ASME B31.3 pour le service cryogénique sans essai d'impact, à condition qu'il soit dans l'état recuit de solution avec une teneur en carbone inférieure à 0,10 %.

Taille et chute de pression

Les calculs hydrauliques ont permis de déterminer qu'un tuyau de 12 pouces de diamètre nominal offre une capacité de débit suffisante tout en maintenant la chute de pression en dessous de la limite spécifiée. Le calcul de l'épaisseur de paroi, basé sur la pression de conception, la contrainte admissible et l'écart de corrosion, a donné lieu à une épaisseur minimale requise de 8,2 mm, ce qui a permis de choisir un tuyau de l'annexe 20S d'une épaisseur nominale de 8,38 mm.

Analyse de flexibilité

L'analyse du stress à l'aide du logiciel CAESAR II a évalué le système de tuyauterie dans divers cas de charge, notamment les charges prolongées (pression et poids), l'expansion thermique de la température ambiante à la température de fonctionnement et les charges occasionnelles (vent et sismique).

Conception de l'isolation

Le système VIP est constitué d'un tuyau intérieur en acier inoxydable de 316L, d'un annulaire sous vide avec isolation multicouche et d'une veste extérieure en acier au carbone avec revêtement protecteur. Cette conception offre des performances thermiques supérieures avec des exigences minimales d'entretien.

Tendances futures et technologies émergentes

L'industrie du GNL continue d'évoluer, avec de nouvelles technologies et approches améliorant la conception et le fonctionnement des systèmes de tuyauterie.

Matériaux avancés

La recherche sur les nouveaux matériaux pour le service cryogénique se poursuit, avec des développements dans les aciers inoxydables à haute résistance, les alliages d'aluminium de pointe et les matériaux composites offrant des améliorations potentielles de performance, de réduction du poids ou de coût.

Technologie numérique jumelée

La technologie numérique à double génération crée des répliques virtuelles de systèmes de canalisations physiques, intégrant les données opérationnelles en temps réel avec des modèles d'ingénierie. Cette technologie permet la maintenance prédictive, l'optimisation des conditions d'exploitation et l'évaluation rapide des modifications proposées.

Approches modulaires de construction

Les techniques modulaires de construction, où les systèmes de canalisations sont fabriqués et testés dans des environnements contrôlés avant le transport vers le site, offrent des améliorations potentielles de la qualité, du calendrier et des coûts.

Liste de contrôle de conception des clés pour les systèmes de pompage GNL

Pour assurer une prise en compte complète de tous les aspects critiques, les concepteurs devraient vérifier les éléments suivants:

  • Choix de matériaux appropriés pour le service cryogénique avec conformité documentée à l'ASME B31.3 ou à d'autres codes applicables
  • Calculs de l'épaisseur de paroi tenant compte de la pression de conception, de la température, de la tolérance à la corrosion et des tolérances de fabrication
  • Analyse complète de la contrainte, y compris les charges soutenues, les charges de déplacement et les charges occasionnelles, avec des résultats dans les limites autorisées par le code
  • L'aménagement de la dilatation thermique par des boucles d'expansion, des joints d'expansion mécanique ou une flexibilité naturelle dans le routage des canalisations
  • Conception du système de soutien avec espacement approprié, types et isolement thermique pour contrôler le mouvement et les contraintes de la tuyauterie
  • Conception du système d'isolation assurant une performance thermique adéquate tout en protégeant contre l'infiltration d'humidité et les dommages externes
  • Protection contre les pressions pour toutes les sections pouvant être isolées, avec dispositifs de décompression dimensionnés pour des scénarios crédibles, y compris l'expansion thermique
  • Procédures de soudage qualifiées pour les matériaux et les conditions de service avec des exigences appropriées en matière d'EDN
  • Procédures d'essai de pression conformes aux exigences du code et adaptées à l'application spécifique
  • Vérification de la compatibilité des matériaux pour tous les composants en contact avec le GNL ou l'environnement extérieur
  • Mesures de prévention de la corrosion, y compris les revêtements protecteurs, la protection cathodique, le cas échéant, et la sélection des matériaux
  • Considérations de conception sismique pour les installations des régions sismiques actives
  • Documentation de tous les calculs de conception, certifications des matériaux et résultats d'essais pour référence future
  • Vérification de la conformité avec tous les codes et normes locaux, nationaux et internationaux applicables
  • Procédures opérationnelles et de maintenance élaborées pour soutenir l'intégrité à long terme du système

Conclusion

La conception de systèmes de tuyauterie pour les installations de GNL exige une compréhension complète des propriétés des fluides cryogéniques, une application rigoureuse des calculs techniques, un respect rigoureux des normes de l'industrie et une attention particulière à la sélection des matériaux et à la qualité de fabrication.

Les concepteurs devraient respecter les codes pour éviter les défaillances coûteuses et assurer la sécurité. Le succès de la conception des conduites de GNL provient d'une analyse approfondie, d'approches de conception prudentes, le cas échéant, de pratiques de fabrication et de construction de qualité, et de programmes d'essais et d'inspections complets.

La demande mondiale de GNL continue de croître, étant donné son rôle de combustible propre et son importance pour la sécurité énergétique, et l'importance de la conception robuste des conduites devient de plus en plus cruciale. Les ingénieurs et les concepteurs qui travaillent dans ce domaine doivent se tenir au courant de l'évolution des codes et des normes, des technologies émergentes et des meilleures pratiques de l'industrie pour offrir des installations répondant aux normes les plus élevées en matière de sécurité, de fiabilité et d'efficacité.

Pour plus d'information sur les normes de conception des conduites de traitement, visitez le site Web Codes et normes ASME. Vous trouverez d'autres ressources sur l'ingénierie cryogénique dans le Cryogenic Society of America.

En suivant les principes et les pratiques décrits dans la présente étude de cas, les ingénieurs peuvent concevoir des systèmes de canalisations GNL qui répondent de façon sûre et efficace à leurs objectifs, tout en respectant toutes les exigences réglementaires et les normes de l'industrie.