Jonction des tubes et renforcements

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3.3 JONCTION DES TUBES
3.3.1. INTERSECTION DES TUBES ET RENFORCEMENT

1. Généralités

Par intersection ou « piquage » , il faut entendre la partie de tuyauterie constituée par le raccordement de 2 ou plusieurs « branches » ou dérivation, permettant de réunir ou de répartir le ou les fluides véhiculés sur ou à partir d’un collecteur (RUN en anglais). La branche aura un diamètre au plus égal à celui du collecteur. La règle utilisée par les codes ANSI B31-1 et 3 ou EN 13480 est celle de la compensation des aires (le métal enlevé au niveau de l’ouverture doit se retrouver de part et d’autre de cette ouverture).

Les règles que nous aborderons ne sont valables que si l’axe de la branche est compris entre 45 et 90° par rapport au collecteur. Pour des angles inférieurs il y a lieu de réaliser un calcul par éléments finis ( logiciels ALGOR, ANSYS, RDM6, …), ainsi qu’ une épreuve hydraulique par exemple.

2. Intersections ne nécessitant aucun renforcement
  • Les fittings, tés, croix... réalisés en conformité avec des normes de construction ASA - DIN - EN etc , dans les limites pression- température autorisées (voir ci-après).
  • Les couplings directement soudés au collecteur (branche <= dn 50 et <= ¼ dn collecteur). En aucun cas l’épaisseur du coupling ne sera inférieure à celle de la classe 3000 lbs.
  • Les fittings auto-renforcés soudés directement sur le collecteur et présentant un renforcement suffisant (weldolet, sockolet, latrolet, ...)
3. Renforcement des intersections soumises à pression interne (à l’exception des tuyauteries vapeur >= 11 barg).

a. Aire de renforcement requise (ANSI B31-3) Fig 1-46

L’aire de renforcement requise est donnée par l’ ANSI B31-3

A = emh x d1 ( 2 - sin β ) x E ( voir fig 1-46 et 1-47 )

emh = épaisseur minimale requise corrosion tolérance déduite. E = coefficient de soudure (voir § 2.8.1).

b. Zone et aires de renforcement
La zone de renforcement est celle ou un excédent de matière peut être pris en compte. C’est un parallélogramme dont la largeur répartit symétriquement de part et d’autre de l’axe du piquage et vaut (2 x d2), tandis que le côté supérieur se situe à une distance (L) de la peau extérieure du collecteur.

d1 =

d2 = le plus grand de d1 et (eb + eh + d1/2)
eb et eh : épaisseurs réelles corrodées respectivement de la branche et du collecteur
d2 est limité dans tous les cas à deh (Ø ext collecteur)
L4 = le plus petit de (2.5eh) et de (2.5eb + er)
er = épaisseur de l’anneau renfort (selle) er <= eh.
A1 = aire de matière excédentaire dans le collecteur = (2d2-d1) x (eh - emh)
A2 = aire de matière excédentaire dans la branche =


A3 = section des soudures ( généralement pas prise en compte )
emb = épaisseur minimale requise pour la branche calculée avec E = 1 (à moins que la branche ne comporte une soudure longitudinale voir 2.8.1. et veiller à ce que les soudures longitudinales collecteur et branche ne s’interceptent pas.)

A4 = aire de l’anneau renfort (selle) sur un piquage à angle droit. A4 = (Ø ext. selle - Ø ext branche) x er.

c. Remarques importantes :
  • En cas de matériaux différents entre le collecteur et la branche (contraintes différentes), il y a lieu de multiplier les aires de renforcement concernées par le rapport des contraintes admissibles (rapport inférieur à 1)
  • La procédure de calcul ci-avant ne s’applique qu’aux ouvertures isolées ou considérées comme selles (zone de renforcement n’empiété pas sur celle du piquage voisin). Pour les autres cas voir l’ASME VIII div 1 .
  • Les anneaux de renforcement ou selles doivent être pourvus d’un trou d’évent (voir fig 1-48) pour permettre l’évacuation des gaz pendant le soudage et les traitements thermiques éventuels. Ces anneaux ou selles peuvent être réalisés en plusieurs pièces à condition que les soudures d’assemblage soient en pleine épaisseur et que chacune des pièces soit pourvue d’un trou d’évent.


d) Application numérique

Un collecteur dn 300 sch 20 ( 323,9 x 6,35 ) sans soudure en A106gB est soumis à une pression effective de 20 bars. La surépaisseur de corrosion imposée est de 1 mm et la tolérance de fabrication est de 12,5 %. La tuyauterie de dérivation dn 150 iso ( 168,3 x 4,5 ) sans soudure et de même qualité que le collecteur fait un angle de 90° avec celui-ci. Vérifier si un anneau renfort de même qualité est nécessaire et dans l'affirmative déterminer sa section.

Solution

emh =
3,1 mm

emb =
= 1,62 mm
eb = 4,5 – 1 – 0,56 = 2,94 mm et eh = 6,35 – 1 – 0,8 = 4,55 mm
d1 = 168,3 – 2 x 4,5 = 159,3 mm
2,94 + 4,55 +
= 87,14 mm soit d2 = 159,3 mm
A = 3,1 x 159,3 x ( 2 – 1 ) x 1 = 493,83 mm²
L4 = 2,5 x 4,55 = 11,375 mm ou ( 2,5 x 2,94 + 0 ) avec er = 0 soit L4 = 7,34 mm
A1 = ( 2 x 159,3 – 159,3 ) x ( 4,55 – 3,1 ) = 230,98 mm²
A2 =
= 19,4 mm² soit AT = 230,98 + 19,4 = 250,4 mm² < 493,83 mm²

Un renfort est donc nécessaire, nous adopterons un anneau renfort er < eh = 5 mm
Lp = 55 mm (
+ 55 = 139,15 mm < d2 . Soit section A4 = 5 x 55 = 275 mm²
L4 = ( 2,5 x 2,94 + 5 ) = 12,35 > 11,375 => A2 =
= 32,6 mm²

AT = 230,98 + 32,6 + 275 = 5338,58 mm² > 493,83 mm²

4. Renforcement des intersection sous pression extérieure
L’aire de renforcement requise est la moitié de l’aire requise au cas de l’intersection sous pression interne.



5. Aire de renforcement requise suivant EN 13480

Ouvertures non renforcées

Si di <= 0,14
il n'y a pas de vérification à réaliser ( Deq = Di + eh )

a) Ouvertures isolées

Pour être considérée comme étant « ouverture isolée » il faut que Lb >=
+
+ 2 Ls

Ls = et Lb =


b) Ouvertures isolées renforcées dans le cas où di/Di < 0,8

- Par augmentation de l’épaisseur des tubes

( f -
) Af >= p . Ap
Af = aire effective de la section droite constituant effectivement au renforcement
( Afb + Afs )
Ap = aire soumise à pression ( mm² )
f = contrainte de calcul ( N/mm² )
p = pression de calcul ( N/mm² )

- Renforcement au moyen de plaques de renfort ( Fig. 1-44 B )

Largeur de la plaque Lpl <= Ls ( voir § 3.3.1 – 5 – b )
Epaisseur epl <= eas

( fs -
) ( Afs + Afp ) >= p . Ap

Afp = aire de la section droite de la plaque contribuant au renforcement
Afs = aire de la section droite de l’enveloppe

Si fpl < fs la condition suivante doit être satisfaite

( fs -
) Afs + ( fb -
) Afb + ( fpl -
) Afp >= p . Ap

- Cas des tubulures obliques à des enveloppes cylindriques ( Fig. 1-44 C )

Les équations précédentes sont applicables en utilisant Aps et Apb pour les sections dans lesquelles Aps est calculée avec d = dib/cos φ .

L’aire Apb doit être augmentée de l’aire additionnelle Apbφ, avec Apbφ =


Voir la norme EN 13480-3.

c) Ouvertures isolées pour lequel 0,8 < d/D <= 1

Les équations vues précédemment sont applicables en tenant compte que les ouvertures d/D > 0,8 ne sont pas permises dans le domaine du fluage du matériau choisi.

d) Application numérique

Nous reprenons l'application que nous avions traitée précédemment pour l'ASME

Epaisseur du collecteur hors tolérance et surépaisseur de corrosion = 4,55 mm => Deq = de - eh = 323,9 – 4,55 = 319,35 mm et deq = 168,3 – 2,94 = 165,36 mm

di ≤ 0,14
= 5,34 mm => ce n'est pas le cas, donc la vérification doit être réalisée.

di = 168,3 – 2 x 2,94 = 162,42 mm ; Di = 323,9 – 2 x 4,55 = 314,8 mm et di/Di = 0,516 < 0,8

Ls =
= 38 mm et Lb =
= 22 mm

Af = ( 38 + 2,94 ) 4,55 + ( 22 x 2,94 ) = 251 mm²

Ap =
18864,13 mm²

f = 103,4 N/mm² = contrainte de calcul et p = 2 N/mm²

- Réalisons la vérification sans anneau renfort

( f – p/2 ) Af ≥ p . Ap => ( 103,4 – 2/2 ) 251 ≤ 2 x 18864,13 . Il faudra un anneau renfort

Adaptons lp = 38 mm et ep = 5 mm l'anneau renfort est de même qualité que les tubes

Apl = 38 x 5 = 1900 mm² => soit Af = 251 + 190 = 441 mm² et le calcul avec anneau renfort donnera :

( 103,4 – 2/2 ) 441 ≥ 37728,3 L'anneau renfort est accepté.

 
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