Monter et assembler les chaudières et les récipients sous pression
Guide d'étude Red Seal Practice avec schémas.
Monter et assembler les chaudières et les récipients sous pression
Introduction au chapitre
Ce chapitre couvre l'érection, l'assemblage et l'installation des chaudières et des récipients sous pression conformément aux exigences du Code canadien de l'électricité, Chapitre V (pour les aspects électriques) et du Code CSA B51 (Code sur les chaudières, les récipients sous pression et les tuyauteries sous pression). Vous devez maîtriser les procédures de levage, d'alignement, de soudage sur le terrain, les essais de pression et la documentation requise. Les questions d'examen portent souvent sur les tolérances, les séquences d'assemblage et les responsabilités légales du compagnon boilermaker.
Normes et codes applicables
CSA B51-19 — Code sur les chaudières, les récipients sous pression et les tuyauteries sous pression
Cette norme est la référence principale au Canada pour la conception, la fabrication, l'inspection et les essais. Elle adopte par référence le ASME Boiler and Pressure Vessel Code (Section I pour les chaudières, Section VIII pour les récipients) , mais y ajoute des exigences canadiennes spécifiques, notamment :
L'enregistrement des plans auprès des autorités provinciales (bien que l'examen Red Seal soit interprovincial, vous devez savoir que chaque province exige l'approbation des plans avant le début des travaux).
Les exigences d'inspection pendant la fabrication (inspecteur autorisé).
Les essais de pression obligatoires avant la mise en service.
CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane
S'applique aux brûleurs et aux conduites de gaz raccordées aux chaudières. La règle 6.22 traite spécifiquement de l'installation des brûleurs et des exigences de ventilation.
Code canadien de l'électricité, Chapitre V
S'applique aux raccordements électriques des chaudières électriques et aux contrôles. La règle 8-200 définit les exigences de dimensionnement des conducteurs d'alimentation.
Préparation du chantier et réception des équipements
Inspection à la réception
Avant tout levage, vous devez effectuer une inspection visuelle complète de la chaudière ou du récipient à son arrivée sur le chantier. Cette inspection comprend :
17.Vérification de la conformité : comparer la plaque signalétique (numéro de série, pression de conception, température de conception) avec les plans approuvés et le bon de commande.
18.Inspection des dommages de transport : rechercher les bosses, les déformations, les fissures dans les soudures, les supports endommagés, les brides voilées.
19.Vérification de l'intégrité interne : si les ouvertures le permettent, inspecter l'intérieur pour détecter des débris, de la corrosion ou des dommages aux tubes.
20.Contrôle des documents : certificat de conformité CSA B51, rapport des essais en usine, certificats des matériaux (mill sheets), plans certifiés.
> Important pour l'examen : Si un dommage est constaté, vous devez le documenter par écrit et en informer immédiatement le superviseur et le fabricant. Ne tentez JAMAIS de réparer un dommage structurel sans autorisation écrite de l'ingénieur.
Préparation de la fondation
La fondation doit être vérifiée avant l'érection. Les tolérances typiques sont :
Paramètre
Tolérance admissible
Nivellement de la fondation
± 3 mm sur 3 mètres
Position horizontale (axes)
± 6 mm par rapport aux plans
Élévation du dessus de fondation
± 6 mm
Alignement des ancrages (boulons)
± 3 mm entre centres
Les boulons d'ancrage doivent être vérifiés pour :
Leur position (écart par rapport aux plans)
Leur verticalité (maximum 1:100)
Leur filetage (doit être propre et dégagé)
Leur protrusion au-dessus de la fondation (doit permettre l'installation de l'écrou et de la rondelle avec au moins 2 filets visibles après serrage)
Levage et manutention
Équipement de levage
Le choix de la grue dépend du poids, des dimensions et de la portée requise. Vous devez connaître :
La capacité nominale de la grue (à la portée et à la configuration données)
Le facteur de sécurité : minimum 1,5 pour le levage de charges avec des élingues en acier, 2,0 pour les élingues synthétiques
Les angles d'élingage : l'angle entre l'élingue et la verticale ne doit pas dépasser 60°. À 60°, la tension dans chaque élingue est égale au poids de la charge (pour deux élingues symétriques).
Calcul de la tension dans une élingue :
T = (Poids de la charge × Facteur de sécurité) / (Nombre d'élingues × cos(angle avec la verticale))
Exemple : Charge de 10 000 kg, 4 élingues, angle de 45° avec la verticale, facteur de sécurité 1,5.
T = (10 000 × 1,5) / (4 × cos 45°) = 15 000 / (4 × 0,707) = 15 000 / 2,828 = 5 304 kg
Chaque élingue doit avoir une capacité d'au moins 5 304 kg.
Points de levage
Les bosses de levage (lifting lugs) sont installées en usine sur les chaudières. Si vous devez installer des points de levage supplémentaires sur le terrain :
Ils doivent être conçus par un ingénieur (calcul de résistance)
Ils doivent être soudés par un soudeur qualifié selon la procédure approuvée (WPS)
La soudure doit être inspectée (visuellement au minimum, par ressuage ou magnétoscopie selon les exigences)
Procédure de levage
48.Plan de levage : un plan de levage écrit est requis pour toute charge de plus de 2 000 kg ou lorsque la charge doit passer au-dessus de personnel.
49.Essai de levage : soulever la charge de 150 mm, vérifier l'équilibre et la stabilité, puis redescendre.
50.Guidage : utiliser des cordes de guidage (tag lines) pour contrôler la rotation.
51.Communication : un seul signaleur doit diriger l'opérateur de grue, utilisant les signaux standardisés.
Alignement et assemblage
Alignement des sections de chaudière
Pour les chaudières de grande taille transportées en sections, l'alignement est critique. Les tolérances typiques sont :
Élément
Tolérance
Alignement des tôles adjacentes (décalage maximal)
3 mm ou 25 % de l'épaisseur, la plus petite valeur
Alignement des tubulures (nozzles)
± 1,5 mm sur la position
Perpendicularité de l'axe du ballon par rapport aux supports
1 mm par mètre
Nivellement du ballon supérieur
± 3 mm sur toute la longueur
Techniques d'alignement
Vérins hydrauliques : pour les ajustements fins (précision de ± 0,5 mm)
Chaînes de tirage (come-alongs) : pour les ajustements grossiers
Équerres de positionnement : soudées temporairement sur les tôles
Laser d'alignement : pour l'alignement des tubulures et des ballons
> Piège d'examen : Les dispositifs de positionnement temporaires (tack welds, équerres) doivent être retirés et les zones meulées à plat après l'assemblage final. Ne pas les laisser en place.
Assemblage des joints de tôles
Les joints entre les sections de la virole (coque) sont généralement :
64.À recouvrement (lap joint) : les tôles se chevauchent. Utilisé pour les récipients à basse pression.
65.Bout à bout avec chanfrein (butt joint) : les tôles sont alignées et soudées avec une préparation en V, U ou double V. C'est le type le plus courant pour les chaudières et les récipients sous pression.
La préparation des bords (chanfrein) doit respecter la procédure de soudage qualifiée (WPS). Les dimensions typiques d'un chanfrein en V simple sont :
Angle inclus : 60° ± 5°
Talon (root face) : 1,5 à 2,5 mm
Jeu à la racine (root gap) : 2 à 4 mm
Soudage sur le terrain
Qualification des soudeurs
Chaque soudeur doit être qualifié selon le CSA W47.1 (qualification des entreprises de soudage) et le CSA W47.2 (qualification des soudeurs). Les qualifications sont spécifiques à :
La position de soudage (à plat, horizontale, verticale, au-dessus de la tête)
Le procédé (SMAW, GTAW, FCAW, SAW)
Le matériau de base (acier au carbone, acier allié, inox)
L'épaisseur du matériau
Le type de joint
Procédure de soudage (WPS)
La WPS (Welding Procedure Specification) doit être approuvée et disponible sur le chantier. Elle spécifie :
Le procédé de soudage
Les métaux d'apport (électrodes, fil)
Les paramètres électriques (courant, voltage, polarité)
La température de préchauffage
La température entre passes (interpass)
Le traitement thermique après soudage (PWHT) si requis
Préchauffage
Le préchauffage est requis pour :
Les aciers à plus de 25 mm d'épaisseur
Les aciers à haute résistance (comme l'ASTM A387)
Par temps froid (température ambiante inférieure à 5 °C)
Lorsque l'humidité est élevée
La température de préchauffage typique pour l'acier au carbone est de 100 °C à 150 °C. Elle doit être vérifiée avec un thermomètre infrarouge ou des crayons thermiques à une distance maximale de 75 mm du joint.
Traitement thermique après soudage (PWHT)
Le PWHT est requis pour :
Les récipients de plus de 32 mm d'épaisseur en acier au carbone
Les récipients contenant des fluides corrosifs (soude caustique, acide)
Les récipients soumis à des conditions de service sévères (fatigue, fluage)
Le PWHT consiste à chauffer le récipient à une température de 595 °C à 675 °C pour l'acier au carbone, maintenir cette température pendant une heure par 25 mm d'épaisseur (minimum 1 heure), puis refroidir lentement.
Essais de pression
Types d'essais
Type d'essai
Pression
Fluide
Application
Essai hydrostatique
1,3 × pression de conception (minimum)
Eau
Tous les récipients
Essai pneumatique
1,1 × pression de conception
Air ou gaz inerte
Uniquement si l'essai hydrostatique est impossible
Essai d'étanchéité
Pression de service
Air ou gaz
Joints et brides uniquement
Essai hydrostatique — Procédure
103.Remplissage : remplir complètement le récipient d'eau, en purgeant tout l'air par les évents supérieurs.
104.Montée en pression : augmenter la pression graduellement par paliers de 25 % de la pression d'essai, avec des arrêts pour inspection.
105.Maintien : maintenir la pression d'essai pendant au moins 30 minutes (ou plus selon les spécifications).
106.Inspection : à la pression d'essai, inspecter toutes les soudures, les brides et les joints pour détecter les fuites.
107.Dépressurisation : relâcher la pression lentement.
Où S_essai est la contrainte admissible à la température d'essai et S_conception est la contrainte admissible à la température de conception. Pour simplifier, si la température d'essai est inférieure à la température de conception, S_essai > S_conception, donc la pression d'essai peut être supérieure à 1,3 × P_conception.
> Piège d'examen : La pression d'essai ne doit jamais dépasser 1,5 × P_conception, même si le calcul donne une valeur supérieure, sauf autorisation écrite de l'ingénieur.
Température de l'eau d'essai
L'eau d'essai doit être à une température minimale de 16 °C (ou 10 °C au-dessus de la température de transition ductile-fragile du matériau, la plus élevée des deux). Ceci est crucial pour éviter la rupture fragile.
Essai pneumatique — Précautions
L'essai pneumatique est dangereux car l'énergie accumulée est beaucoup plus grande qu'avec l'eau. Les précautions incluent :
Zone de sécurité délimitée (périmètre de sécurité)
Personnel non essentiel évacué
Inspection à distance (miroirs, caméras)
Montée en pression par paliers de 10 % avec vérification de la stabilité
Installation des supports et ancrages
Types de supports
Type
Description
Application
Support de jupe (skirt)
Support cylindrique soudé au fond du récipient
Récipients verticaux
Berceaux (saddles)
Supports en forme de selle
Récipients horizontaux
Supports à pattes (legs)
Pattes soudées ou boulonnées
Petits récipients
Supports à oreilles (lugs)
Supports latéraux
Récipients montés sur structures
Règles d'installation des berceaux
Pour un récipient horizontal sur deux berceaux :
Le berceau fixe (ancré) doit être placé du côté des raccordements fixes (côté tuyauterie rigide)
Le berceau mobile (sur patins de glissement) doit permettre la dilatation thermique
Le nombre de berceaux : 2 maximum pour la plupart des récipients. Un troisième berceau crée une hyperstaticité qui peut causer des contraintes excessives.
Dilatation thermique
La dilatation thermique de l'acier au carbone est d'environ 12 × 10⁻⁶ mm/mm/°C. Pour une chaudière de 10 mètres de long chauffée de 20 °C à 200 °C :
ΔL = 12 × 10⁻⁶ × 10 000 mm × 180 °C = 21,6 mm
Cette dilatation doit être absorbée par :
Les supports mobiles (patins de glissement)
Les compensateurs de dilatation dans la tuyauterie
Les boucles de dilatation
Raccordement de la tuyauterie
Exigences de la tuyauterie sous pression
La tuyauterie raccordée aux chaudières et récipients doit être conforme au CSA B51 et au ASME B31.1 (Power Piping) pour les chaudières, ou ASME B31.3 (Process Piping) pour les récipients.
Brides et joints
Les brides sont classées par pression nominale (class) :
Classe de bride
Pression maximale à 38 °C (bar)
150
19,6
300
51,1
600
102,1
900
153,3
1500
255,3
2500
425,5
Le serrage des boulons de bride doit être effectué en croix (étoile), par passes successives :
142.Première passe : serrage à 30 % du couple final
143.Deuxième passe : serrage à 60 %
144.Troisième passe : serrage à 100 %
145.Quatrième passe : vérification de tous les boulons au couple final
Contre-mesures pour les joints
Les surfaces des brides doivent être propres et exemptes de rayures
Le joint doit être centré et de la bonne dimension
Ne jamais réutiliser un joint métallique ou spiralé
Les joints en caoutchouc ou en PTFE peuvent être réutilisés si non endommagés (mais c'est déconseillé)
Documentation et traçabilité
Documents requis sur le chantier
Document
Contenu
Plans certifiés
Plans approuvés par l'autorité compétente
Certificat CSA B51
Certificat de conformité du fabricant
Rapports d'essais en usine
Essais de pression, essais non destructifs
WPS et PQR
Procédures de soudage et rapports de qualification
Certificats des soudeurs
Qualifications des soudeurs sur le chantier
Registre des soudures
Localisation et identification de chaque soudure
Rapports d'inspection
Inspections effectuées pendant l'érection
Registre des soudures
Chaque soudure effectuée sur le terrain doit être identifiée par un numéro unique, marquée (poinçonnée ou étiquetée) et consignée dans le registre avec :
La date
Le soudeur (numéro de qualification)
La procédure (WPS)
Les résultats des inspections (visuelle, ressuage, radiographie)
Le traitement thermique appliqué
Sécurité sur le chantier
Permis de travail
Les permis suivants sont généralement requis :
Permis de travail à chaud : pour le soudage, le meulage, le chalumeau
Permis de travail en hauteur : pour les travaux à plus de 3 mètres
Permis d'espace clos : pour l'entrée dans les récipients
Permis de levage : pour les opérations de levage critiques
Travail en espace clos
L'entrée dans une chaudière ou un récipient est un travail en espace clos. Les exigences incluent :
Test atmosphérique : O₂ entre 19,5 % et 23,5 %, LIE inférieur à 10 %, H₂S inférieur à 10 ppm
Ventilation : continue ou périodique selon l'évaluation
Surveillant : une personne à l'extérieur en communication constante
Équipement de secours : harnais, trépied, treuil
Verrouillage : toutes les sources d'énergie verrouillées (LOTO)
Résumé
Le CSA B51 est la norme de référence au Canada pour les chaudières et récipients sous pression. Il adopte l'ASME mais ajoute des exigences canadiennes.
L'inspection à la réception est obligatoire et doit être documentée. Tout dommage doit être signalé immédiatement.
Les tolérances d'alignement sont typiquement de ± 3 mm pour les fondations et ± 1,5 mm pour les tubulures.
Le calcul de la tension dans les élingues doit inclure le facteur de sécurité (1,5 minimum).
Les soudeurs doivent être qualifiés selon le CSA W47.2 et travailler selon une WPS approuvée.
Le préchauffage est requis pour les aciers épais (> 25 mm), par temps froid, ou selon la WPS.
L'essai hydrostatique se fait à 1,3 × P_conception, avec de l'eau à minimum 16 °C.
L'essai pneumatique est dangereux et nécessite des précautions spéciales.
Les supports doivent permettre la dilatation thermique (environ 12 × 10⁻⁶ mm/mm/°C pour l'acier).
Le serrage des brides se fait en croix, par passes successives.
Toute la documentation doit être complète et à jour : certificats, WPS, registres de soudures, rapports d'inspection.
Pièges à éviter
188.Confondre pression d'essai et pression de conception : l'essai hydrostatique est à 1,3 × P_conception, pas à 1,1 ×.
189.Oublier la température minimale de l'eau d'essai : 16 °C minimum, sinon risque de rupture fragile.
190.Négliger la vérification des boulons d'ancrage : un boulon mal positionné peut rendre l'installation impossible ou non conforme.
191.Utiliser une élingue avec un angle supérieur à 60° : la tension augmente dangereusement. À 90°, la tension est infinie.
192.Serrer les boulons de bride en séquence circulaire : toujours en croix, par passes.
193.Oublier de retirer les dispositifs de positionnement temporaires : ils créent des concentrations de contraintes.
194.Souder sans WPS approuvée : c'est une infraction grave et une cause d'échec à l'examen.
195.Confondre les classes de brides : une bride class 150 n'est pas interchangeable avec une class 300.
196.Ne pas documenter les inspections : sans documentation, l'inspection n'a pas eu lieu.
197.Entrer dans un espace clos sans test atmosphérique : danger immédiat pour la vie.
198.Ignorer la dilatation thermique : un récipient de 10 m peut se dilater de plus de 20 mm.
199.Réutiliser un joint métallique : les joints métalliques et spiralés sont à usage unique.
200.Oublier le calcul de la tension dans les élingues avec le facteur de sécurité : la capacité nominale doit être supérieure à la tension calculée.
201.Ne pas vérifier la verticalité des boulons d'ancrage : un boulon incliné peut empêcher l'installation de la plaque de base.
202.Confondre les exigences de l'ASME et du CSA B51 : le CSA B51 s'applique au Canada, avec des exigences supplémentaires d'enregistrement et d'inspection.
