Le méthane (CH4) est le deuxième gaz à effet de serre le plus émis aux États-Unis. En 2019, le CH4 représentait environ 10 % de toutes les émissions de gaz à effet de serre américaines dues aux activités humaines. La durée de vie du méthane dans l'atmosphère est beaucoup plus courte que celle du dioxyde de carbone (CO2), mais il est nettement plus efficace pour piéger les radiations. À poids égal, l'impact comparatif du CH4 sur le changement climatique est 25 fois supérieur à celui du CO2 sur une période de 100 ans.
L'une des causes principales de l'augmentation du CH4 est la fuite des équipements dans le secteur des raffineries. Les soupapes, qui laissent échapper du CH4 (et ses dérivés appelés composés organiques volatils) par leur presse-étoupe, en sont la principale cause. Au cours des 30 dernières années, les agences gouvernementales ont collaboré avec l'industrie pour remédier à ces fuites en intensifiant le déploiement de nouvelles technologies. Cet intérêt pour les nouvelles technologies a incité les fabricants de garnitures à intensifier la recherche et le développement de nouveaux matériaux. Les agences fédérales et étatiques ont également renforcé les normes de mesure du taux de fuite maximal des soupapes COV, de 10 000 ppm il y a vingt ans à 100 ppm dans la plupart des États-Unis aujourd'hui. À titre de comparaison, cela revient à modifier les limites de consommation d'essence des voitures (CAFE) de 27,5 en 1990 à 2 750 MPG aujourd'hui. C'est comme aller de New York à Los Angeles avec un gallon d'essence !
L'un des principaux défis à relever était l'absence de norme d'essai unifiée. Il y a vingt-cinq ans, la situation était comparable à celle du Far West : de nombreuses raffineries et fabricants de garnitures utilisaient leurs propres normes d'essai avec des fluides (azote, hélium ou méthane à différentes concentrations), des plages de température et des cycles thermiques variés. Il était donc très difficile de comparer l'efficacité des garnitures de soupapes à faibles émissions. Quelques organismes de normalisation ont mis au point des tests pour les émissions de soupapes afin de commencer à s'attaquer à ce problème. L'American Petrochemical Institute (API) s'est spécifiquement concentré sur une procédure d'essai détaillée pour la performance des garnitures dans le méthane. Cette norme, l'API 622, est devenue une référence en matière de performance des garnitures aux États-Unis pour diverses raisons, notamment la déclaration de l'EPA selon laquelle les tests de performance des garnitures doivent être effectués dans le méthane plutôt que dans d'autres gaz. Cette norme est devenue la cible privilégiée de la recherche et du développement visant à atteindre l'objectif d'une
La norme API 622 exige cinq cycles thermiques de la température ambiante à 260 °C (500 °F), 1 510 cycles mécaniques et du méthane comme gaz d'essai. Les cycles thermiques sont effectués une fois par jour et sont divisés en 300 cycles mécaniques (150 à température ambiante et 150 à 260 °C), avec 10 cycles mécaniques finaux à température ambiante pour la mesure finale de l'étanchéité. Cet essai, qui comporte un nombre considérable de cycles mécaniques et thermiques, est conçu pour inciter les fabricants de garnitures à améliorer leur développement. Sans une telle barre, il est difficile de croire que l'industrie aurait pu réaliser les avancées techniques que nous avons constatées.
Il est important de noter que la norme API 622 n'est PAS un test de vanne, mais un test de garniture. Il serait donc erroné de supposer que toutes les vannes auront les mêmes performances avec la même garniture. En effet, chaque vanne a ses propres critères de conception qui affectent l'étanchéité globale, principalement les tolérances et la conception unique de la vanne. C'est pourquoi l'API s'est attachée à créer un protocole de test axé sur la capacité d'émissions de chaque conception de vanne par fabricant : l'API 624. Un aspect important des normes API est leur complémentarité, en se basant sur les travaux antérieurs. Dans le cas de l'API 624, l'une des exigences est que la garniture utilisée ait déjà été testée selon la norme API 622. C'est l'une des raisons pour lesquelles l'API 624 présente moins de cycles thermiques et d'actionnements de tige que l'API 622 (la procédure de test 624 nécessite 310 cycles mécaniques et trois cycles thermiques à 260 °C (500 °F)).
Certains enseignements tirés de l'application de la norme API 624 ont porté sur les tolérances d'usinage des composants. Les molécules de méthane sont petites et s'échappent rapidement par de petits interstices, contrairement à la vapeur et à d'autres fluides. Dans ce contexte, il est impossible d'utiliser le dimensionnement standard des presse-étoupes pour les applications vapeur et émissions. Les principaux points à prendre en compte sont la tolérance de la taille de la tige et du boîtier, la tolérance du presse-étoupe par rapport au presse-étoupe et à la tige, et la distance entre la tige et le diamètre intérieur du fond du presse-étoupe. Toutes ces dimensions sont essentielles à une étanchéité optimale aux émissions.
Un autre point de préoccupation parfois négligé, mais qui s'est révélé extrêmement important pour l'étanchéité du méthane, est la boulonnerie de la vanne. L'un des principaux problèmes mis en évidence lors des essais est l'obtention d'une charge précise sur la garniture, et l'état des boulons joue un rôle essentiel. La lubrification est essentielle et l'utilisation de boulons neufs plutôt que de boulons usagés peut considérablement affecter l'étanchéité de la vanne. En effet, dans la plupart des cas, la charge appliquée sur la garniture est estimée à partir du couple, qui mesure non pas la tension, mais la force exercée sur le filetage et l'écrou. L'utilisation de boulons usagés non lubrifiés, comparés à des boulons neufs, entraîne une tension bien inférieure, et donc une sous-charge de la garniture. Une solution consiste à utiliser un indicateur de charge, tel que la hauteur du ressort à disque, qui mesure la tension spécifique sur la connexion.
Les efforts conjugués de l'industrie du raffinage, des organismes de réglementation, des fabricants de garnitures et de l'industrie des vannes ont permis de réduire les émissions de méthane. Le développement de nouveaux matériaux de garniture, de nouvelles normes d'essai et l'amélioration de la conception des vannes ont permis au raffinage de réduire son empreinte environnementale en diminuant les émissions de gaz à effet de serre.
Date de publication : 31 décembre 2021