Même par une météo houleuse, les cheminées industrielles à structure hélicoïdale tiennent bon. Comme le montre cet exemple, l'expérience acquise au fil du temps dans de nombreuses applications a permis de prouver, d'une manière incontestable, qu'une solution hélicoï-dale brevetée par la méthode Scruton & Walshe protège n'importe quelle installation des conséquences néfastes de vibrations. Lorsque le même principe est appliqué à d'autres structures, la méfiance reprend toutefois rapidement le dessus. À une tout autre échelle que celle des cheminées industrielles, des interrogations se posent par exemple pour les doigts de gant, les fourreaux servant à accueillir et à protéger une sonde de température dans une canalisation.

Sous certaines conditions de vitesse d'écoulement, deux rangées de tourbillons, avec des sens de rotation opposés, peuvent en effet se former derrière le doigt de gant ; c'est ce que l'on appelle les tourbillons de Kármán. Ces derniers peuvent alors amener le doigt de gant à vibrer et à se rompre sous la charge. Mais un doigt de gant équipé d'hélices hélicoïdales permet d'éviter la formation d'une allée de tourbillons. Les vibrations du doigt de gant sont ainsi supprimées et le risque de rupture par fatigue dynamique est écarté (effet Scruton). Voilà pour la théorie, mais qu'en est-il en pratique ?

Au printemps 2018, l'allemand Wika a souhaité réaliser une étude portant sur la comparaison comportementale entre un doigt de gant basé sur sa conception propriétaire ScrutonWell et un doigt de gant standard. Pour cela, la société s'est tournée vers le centre de test spécialisé dans les mesures de débits en industrie National Engineering Laboratory (NEL), situé à Glasgow (Royaume-Uni). Les tests d'endurance ont intégré au total 47 essais expérimentaux dans une conduite contenant du gasoil, un fluide ressemblant au diesel, qui circulait à travers le doigt de gant à tempéra-ture ambiante et à une vitesse d'écoulement comprise entre 0,5 et 6 m/s selon les exigences.

Les vibrations maximales mesurées à l'extrémité du doigt de gant standard ont été de l'ordre de 450 mm/s RMS, à une vitesse de circulation du fluide d'environ 1,8 m/s (résonance en ligne ; courbe orange), ou de près de 2 480 mm/s RMS, à une vitesse d'environ 5 m/s (résonance transversale ; courbe noire). Aucune valeur maximale comparable n'a été déterminée pour la version ScrutonWell (courbe bleue).

Que ce soit des cheminées industrielles à structure hélicoïdale ou un doigt de gant de type ScrutonWell de Wika, la méthode Scruton & Walshe permet de protéger n'importe quelle struture des conséquences néfastes de vibrations. Mais parfois cela n'est pas aussi évident pour les industriels…

Mesures et vidéos des vibrations

Chaque doigt de gant, ScrutonWell et standard, a été équipé d'extensomètres, afin de pouvoir mesurer la charge dynamique à la transition vers la bride durant toute la durée des essais. Un accéléromètre, installé dans l'orifice du doigt de gant, a servi à enregistrer les valeurs de vitesse au niveau de l'extrémité du doigt de gant. Ces mesures ont également été complétées avec les images issues d'une caméra à haute vitesse produisant jusqu'à 12 500 images par seconde.

Avant de commencer les essais, les dimensions du doigt de gant standard – un modèle à raccord bride et avec soudure pénétrante TW10-F, commercialisé par Wika – ont été adaptées selon la norme de calcul ASME PTC 19.3 TW2016, afin d'assurer que des vibrations se produisent réellement sur la plage de vitesse testée, dans la direction de la vitesse d'écoulement, ce que l'on désigne par résonance en ligne, et aux angles droits, ou résonance transversale. La conception du doigt de gant ScrutonWell a été faite de la même manière. La fréquence naturelle du doigt de gant standard a été calculée à 38,7 Hz ; en d'autres termes, il ne s'agit que d'une variation de seulement 4,1 % de la fréquence déterminée par le National Engineering Laboratory par expérimentation. Ce résultat témoigne d'ailleurs de la haute fiabilité de la version 2.7.1 du logiciel de calcul pour doigts de gant de Wika.

Intéressons-nous maintenant à quelques résultats de cette étude ( voir figure 1 ). Les vibrations maximales mesurées à l'extrémité du doigt de gant standard ont été de l'ordre de 450 mm/s RMS, à une vitesse de circulation du fluide d'environ 1,8 m/s (résonance en ligne ; en orange sur la figure 1), ou de près de 2 480 mm/s RMS, à une vitesse d'environ 5 m/s (résonance transversale ; en noir sur la figure 1). Aucune valeur maximale comparable n'a été déterminée pour la version ScrutonWell (en bleu sur la figure 1). Les vibrations ont cependant augmenté de manière linéaire avec la vitesse d'écoulement, mais sont restées minimes. Les mesures de la contrainte dynamique à la base du doigt de gant, obtenues avec les exten-somètres, ont produit des résultats comparables.

Grâce aux vidéos à haute vitesse, il a par ailleurs été possible de mesurer les amplitudes des vibrations de manière extrêmement précise ( voir figure 2a et 2b ). En considérant, par exemple, la résonance transversale pour une vitesse d'écoulement de 4,5 m/s, le doigt de gant standard présente une flèche de 27 mm. Le doigt de gant ScrutonWell, lui, affiche une flèche de seulement 1,2 mm, ce qui représente quand même une réduction de 96 % par rapport au modèle standard, dans des conditions identiques. L'arrière-plan sombre résulte du fait que le gasoil, qui est de couleur ambrée au repos, devient presque opaque en mouvement.

Définition de l'amortissement 

Un autre paramètre a fait l'objet d'une attention particulière. L'amortissement de la version ScrutonWell a été comparé à celui du doigt de gant standard, dans les 47 essais expérimentaux composés de plusieurs dizaines de milliers de mesures. Un facteur , calculé selon la formule suivante = (1-v ScrutonWell /v doigt de gant standard ), a été introduit pour permettre la quantification de cet amortissement. Il a été décidé qu'un facteur d'amortissement supérieur à 0 correspondrait à la supériorité du doigt de gant ScrutonWell comparé à la version standard ; une valeur inférieure à 0 indiquerait de facto que le doigt de gant standard serait plus avantageux.

Grâce aux vidéos à haute vitesse, il a été possible de mesurer les amplitudes des vibrations de manière extrêmement précise. En considérant, par exemple, la résonance transversale pour une vitesse d'écoulement de 4,5 m/s, le doigt de gant standard (a) présente une flèche de 27 mm. Le doigt de gant ScrutonWell (b) affiche une flèche de seulement 1,2 mm, ce qui représente une réduction de 96 % par rapport au modèle standard, dans des conditions identiques.

Wika a fait appel au centre de test britannique spécialisé dans les mesures de débits en industrie National Engineering Laboratory (NEL) pour réaliser une étude portant sur la comparaison comportementale entre un doigt de gant basé sur sa conception propriétaire ScrutonWell (ici, monté dans la conduite) et un modèle standard.

Selon les résultats des essais ( voir fi-gure 3 ), l'amortissement moyen du doigt de gant ScrutonWell est de 90,9 % de celui de la conception standard, sur la plage de résonance en ligne. Un amortissement moyen de 92,8 % a été enregistré sur la plage de résonance transversale. Étant donné que les valeurs mesurées ont excédé les étendues de mesure de l'instrument dans la plupart des tests à résonance transversale, on peut même supposer que l'amortissement de la conception ScrutonWell est en fait bien supérieur encore.

Enfin, la comparaison des deux types de doigts de gant réalisée par le NEL s'est terminée par la détermination des temps de réponse ( voir figure 4 ). Ces mesures ont été faites avec les doigts de gant dans un mélange eau-glycol, selon la norme de test ASTM E644-09 pour les thermomètres à résistance. Le changement de température de chaque doigt de gant a été mesuré à une profondeur d'immersion de 150 mm. Là encore la version ScrutonWell affiche de meilleurs résultats : son temps de réponse (T90) est 17,6 % plus rapide que celui du doigt de gant standard.

Meilleurs temps de réponse et précision hors ASME

Après les essais en laboratoire menés par l'Institut de mécanique et dynamique des fluides de l'université de Freiberg en 2014, ces tests réalisés par le National Engineering Laboratory confirment que les doigts de gant en version ScrutonWell répondent largement aux attentes qu'ils suscitaient. Ils représentent ainsi une bonne solution chaque fois que les calculs liés aux doigts de gant utilisant la norme ASME PTC 19.3 TW-2016 sont problématiques. Cette norme ASME est également un excellent moyen de calculer le comportement des doigts de gant dans des fluides de process, de prévoir des conceptions en conséquence et d'établir des états selon les conditions critiques du process.

Mais si le doigt de gant dépasse les limites des calculs, des changements structuraux doivent être réalisés, soit en raccourcissant la longueur non soutenue, soit en augmentant le diamètre. Des doigts de gant très courts ou à paroi épaisse peuvent alors répondre correctement aux exigences de la norme ASME, en termes de résistance mécanique, mais les mesures de tem-pérature sont très mauvaises du point de vue du temps de réponse et de la précision. La nécessité de respecter strictement les dimensions de la tubulure à bride (ajustement avec serrage) et la position de montage du doigt de gant complique un peu plus l'opération. Si le doigt de gant doit être soutenu par un collier, ceci est d'une importance primordiale.

Les résultats des essais montrent que l'amortissement moyen du doigt de gant ScrutonWell est de 90,9 % de celui de la conception standard, sur la plage de résonance en ligne. Un amortissement moyen de 92,8 % a été enregistré sur la plage de résonance transversale. Les valeurs ayant excédé les étendues de mesure de l'instrument dans la plupart des tests à résonance transversale, l'amortissement de la conception ScrutonWell doit être bien supérieur encore.

Les mesures des temps de réponse ont été faites avec les doigts de gant dans un mélange eau-glycol, selon la norme de test ASTM E644-09 pour les thermomètres à résistance. Le changement de température de chaque doigt de gant a été mesuré à une profondeur d'immersion de 150 mm. Là encore, la version ScrutonWell affiche de meilleurs résultats : son temps de réponse (T90) est 17,6 % plus rapide que celui du doigt de gant standard.

L'expérience montre que de nombreuses modifications quant à la structure du doigt de gant résultant d'un calcul de la résistance se trouvent hors du champ d'application de la norme ASME PTC 19.3 TW-2016. D'où, inévitablement, un temps de montage, des efforts de la part des opérateurs et des coûts considérables. Dans de telles situations, les doigts de gant ScrutonWell, dont la construction hélicoïdale allie élimination des vibrations induites par l'effet Vortex et montage facile d'un doigt de gant standard, représentent une alternative intéressante et attractive.