Comment éviter les dommages aux tuyaux lors de l’utilisation d’expandeurs ?

Comment l'expansion thermique affecte l'intégrité des tuyaux lors de l'utilisation d'un expansible

La physique de l'expansion thermique linéaire dans les matériaux courants utilisés pour les tuyauteries (acier, cuivre, PVC)

Tous les matériaux utilisés pour les tuyauteries ont tendance à se dilater lorsque la température augmente et à se contracter lorsqu’elle diminue, conformément à un principe fondamental décrit par l’équation ΔL = αLΔT (ce qui signifie essentiellement que la variation de longueur est égale au coefficient de dilatation multiplié par la longueur initiale et par la variation de température). Toutefois, les différents matériaux se comportent de façon très différente. L’acier s’allonge d’environ 0,0000065 pouce par pouce de tuyau pour chaque augmentation de température de 1 degré Fahrenheit. Le cuivre n’est pas très loin derrière, avec environ 0,0000090 pouce par pouce par degré. En revanche, le PVC atteint environ 0,00003 pouce par pouce par degré, ce qui le rend presque cinq fois plus extensible que l’acier. Pour bien mesurer cette différence, imaginez un tuyau en acier de 100 pieds de long chauffé à une température supérieure de 150 degrés Fahrenheit : il s’allongerait alors d’environ 1,2 pouce. La même longueur de tuyau en PVC, soumise aux mêmes conditions, se dilaterait de plus de 5,4 pouces. Ces différences engendrent des points de contrainte importants à chaque jonction entre matériaux différents. Ce phénomène devient particulièrement problématique lors d’opérations impliquant des dispositifs d’expansion, car l’accumulation locale de chaleur amplifie ces déplacements. Les forces résultantes peuvent parfois dépasser 20 000 livres, ce qui constitue un enjeu majeur pour les ingénieurs chargés de concevoir les systèmes de tuyauterie.

Pourquoi une expansion incontrôlée crée des contraintes, un désalignement et une défaillance des joints à proximité des zones d’expansion

Lorsque le déplacement thermique est restreint, les tuyaux exercent une force extrême sur les ancrages, les brides et les joints. À proximité des expansibles — où les cycles de chauffage et de refroidissement concentrent les charges mécaniques et thermiques — trois modes de défaillance prédominent :

• Concentration des contraintes aux coudes et aux soudures, dépassant la limite élastique
• Désalignement angulaire des brides, entraînant des ruptures des joints d’étanchéité
• Séparation des joints à cloche dans les systèmes à emboîtement par poussée, provoquant des fuites

Selon une étude récente de l’Institut Ponemon datant de 2023, environ les deux tiers de toutes les défaillances de tuyauteries dans les installations industrielles sont en réalité attribuables à une mauvaise gestion des contraintes thermiques. Lorsque les tuyaux subissent des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, cela accélère le développement de la fatigue. Le problème s’aggrave dans les zones où les tuyaux sont soit ancrés trop rigoureusement, soit insuffisamment soutenus. Par exemple, lorsqu’une force de compression excessive s’exerce sur des tubes à paroi mince, ceux-ci ont tendance à flamber. À l’inverse, des forces de traction peuvent provoquer la propagation de fissures dans des matériaux fragiles tels que le PVC. Si la tuyauterie n’est pas correctement supportée, ces contraintes ne restent pas localisées : elles se propagent directement vers d’autres composants d’équipements, tels que les vannes, les pompes et divers instruments. Cela crée des risques sérieux de ce que les ingénieurs appellent des « défaillances catastrophiques de brides ». Même des systèmes dotés d’une classification standard peuvent subir une défaillance complète à des niveaux de pression étonnamment faibles, autour de 740 psi, lorsqu’ils sont soumis, sur une longue période, à ces forces incontrôlées.

Bonnes pratiques pour la sélection et l’installation appropriées d’un expansible

Adaptation du type d’expansible et du profil de force au matériau et à l’épaisseur de paroi du tube

Le choix d’un expansible approprié repose essentiellement sur l’adéquation entre la force qu’il exerce et la résistance mécanique du tube. Les tubes en acier présentent une résistance à la traction nettement supérieure à celle des tubes en cuivre ou en PVC, ce qui leur permet de supporter une force radiale d’expansion plus importante. N’oubliez toutefois pas non plus l’épaisseur de paroi, car elle joue un rôle déterminant dans ce contexte. Pour les systèmes CVC à paroi mince ou les applications industrielles légères, il est généralement nécessaire de maintenir les rapports d’expansion à un niveau faible afin d’éviter des problèmes tels que le flambage ou l’ovalisation. En ce qui concerne les matériaux, le PVC devient assez cassant lorsque la température chute en dessous de 40 degrés Fahrenheit (soit environ 4 degrés Celsius). L’utilisation d’expansibles pneumatiques à une pression supérieure à 800 psi avec du PVC augmente effectivement le risque de propagation de fissures dans le matériau. Le cuivre, en revanche, se comporte différemment, car il est plus ductile, ce qui permet un déplacement plus important sans dommage lors de l’utilisation d’expansibles mécaniques. Lors de tout projet, assurez-vous de vérifier conjointement plusieurs éléments : la nuance exacte du matériau du tube utilisé, les détails de son calendrier d’épaisseur de paroi (« wall schedule »), ainsi que les spécifications de couple recommandées par le fabricant. Cette vérification revêt une importance particulière aux alentours des joints soudés, où les contraintes résiduelles dues au soudage peuvent rendre les tubes plus sensibles à la déformation sous pression.

Éviter la sur-expansion : calcul des limites sûres de déplacement conformément aux normes ASME B31.1/B31.9

La sur-expansion demeure l’une des principales causes de défaillance des joints dans les systèmes sous pression. Les normes ASME B31.1 (tuyauteries pour installations de production d’énergie) et B31.9 (tuyauteries pour services du bâtiment) définissent l’expansion maximale admissible en fonction du matériau, de la température et de la géométrie. Le calibrage des expanseurs selon ces limites garantit que la déformation reste dans le domaine élastique et évite tout allongement permanent ou toute microfissuration :

La vérification après expansion est essentielle : la profilométrie laser doit confirmer que le diamètre intérieur (DI) reste dans la tolérance de ±0,5 % par rapport à la valeur nominale. Des écarts dépassant ce seuil augmentent le risque de fuite sous des charges thermiques cycliques.

Stratégies de soutien et d’ancrage pour protéger les tuyaux autour des expansibles

Placement stratégique d’ancrages, de guides et de supports glissants afin d’absorber les mouvements induits par l’expansible

De bons systèmes de support gèrent effectivement les déplacements thermiques tout au long du processus d’utilisation des compensateurs, non pas simplement en agissant comme des éléments de retenue passifs, mais en répartissant activement les forces sur l’ensemble du système. Les ancrages supportent la poussée due à la pression et empêchent tout déplacement axial en ces points fixes. Les guides limitent les déplacements latéraux tout en autorisant encore un certain mouvement longitudinal (avant/arrière). Les supports glissants sont conçus pour absorber les déplacements attendus grâce à leurs surfaces à faible coefficient de friction, généralement placés à une distance de 4 à 10 diamètres de tuyau par rapport aux joints et aux zones d’expansion. Ces trois composants fonctionnent ensemble de manière très efficace pour résoudre les principaux problèmes rencontrés par les ingénieurs sur site : l’accumulation de contraintes aux points de soudure, le désalignement des joints et le flambage latéral des tuyaux sous pression.

Bien positionner les éléments nécessite d’examiner les taux de dilatation thermique ainsi que la disposition globale de l’ensemble du système, plutôt que de se contenter d’estimations approximatives pour les espacements. Les supports principaux ont pour rôle d’empêcher le fléchissement et de maintenir l’alignement de l’ensemble sous l’effet du poids propre des composants. Les supports secondaires contribuent, quant à eux, à réduire les vibrations et à maîtriser ces fréquences de résonance gênantes. Les garnitures d’isolation intégrées dans les éléments de serrage remplissent également une fonction essentielle : elles évitent le contact direct entre pièces métalliques, permettant ainsi un déplacement libre le long de l’axe tout en contrôlant les forces générées par la dilatation. Pour les points fixes où aucun mouvement n’est toléré — par exemple aux entrées de pompes ou aux brides de vannes — on utilise des supports non réglables qui immobilisent solidement l’ensemble. Toutefois, des ajustements sur site sont parfois nécessaires ; les fabricants proposent donc des versions réglables, conçues pour ne pas nuire aux performances globales. L’expérience industrielle montre que, lorsque tous ces éléments fonctionnent correctement ensemble, les contraintes mécaniques et thermiques se répartissent uniformément sur l’ensemble de l’installation. Cette approche ingénierie s’est avérée prolonger significativement la durée de vie des équipements, les registres de maintenance faisant état d’améliorations d’environ 70 % au fil du temps.

Questions fréquemment posées

Quelle est l'importance de la dilatation thermique dans les systèmes de tuyauterie ?

La dilatation thermique joue un rôle critique dans les systèmes de tuyauterie, car elle peut provoquer une expansion ou une contraction importante des tuyaux en raison des variations de température, entraînant des points de contrainte, un désalignement et des défaillances structurelles potentielles.

Pourquoi le PVC est-il plus sensible à la dilatation thermique que l'acier ?

Le coefficient de dilatation thermique du PVC est supérieur à celui de l'acier, ce qui fait qu’il se dilate près de cinq fois plus pour une même variation de température. Cela peut entraîner des effets d’expansion plus marqués dans le PVC, notamment dans des conditions de haute température.

Quelles sont les méthodes permettant d’atténuer les effets de la dilatation thermique dans les tuyaux ?

Le choix approprié des compensateurs, l’adéquation du type de compensateur au matériau et à l’épaisseur de paroi du tuyau, ainsi que le positionnement stratégique des systèmes de support et d’ancrage constituent des méthodes essentielles pour gérer et atténuer les effets de la dilatation thermique.

Comment éviter une sur-expansion dans les systèmes sous pression ?

En respectant des normes telles que ASME B31.1/B31.9 et en étalonnant les expansibles aux limites définies de matériau et de température, on peut éviter la sur-expansion, ce qui garantit que la déformation reste dans le domaine élastique.