Bouchon fusible - Fusible plug

Un dessin d'un bouchon fusible, montrant le noyau conique.

Un bouchon fusible est un cylindre métallique fileté généralement en bronze , en laiton ou en bronze à canon , avec un trou conique percé complètement sur toute sa longueur. Ce trou est scellé avec un métal à bas point de fusion qui s'écoule si une température élevée prédéterminée est atteinte. L'utilisation initiale du bouchon fusible était une mesure de sécurité contre les faibles niveaux d'eau dans les chaudières à vapeur , mais les applications ultérieures ont étendu son utilisation à d'autres récipients fermés, tels que les systèmes de climatisation et les réservoirs pour le transport de gaz de pétrole corrosifs ou liquéfiés .

But

Un bouchon fusible moderne. Le noyau de métal à bas point de fusion est visible.

Un bouchon fusible fonctionne comme une soupape de sécurité lorsque des températures dangereuses, plutôt que des pressions dangereuses, sont atteintes dans un récipient fermé. Dans les moteurs à vapeur, le bouchon fusible est vissé dans la feuille de couronne (la plaque supérieure) de la chambre de combustion , s'étendant généralement sur environ un pouce (25 mm) dans l'espace d'eau au-dessus. Son but est d'agir comme une sécurité de dernier recours en cas de baisse dangereuse du niveau d'eau : lorsque le haut du bouchon est hors de l'eau, il surchauffe, le noyau à bas point de fusion fond et le bruit qui en résulte le dégagement de vapeur dans le foyer sert à avertir les opérateurs du danger avant que le dessus du foyer ne s'assèche complètement, ce qui pourrait entraîner une défaillance catastrophique de la chaudière. La température des gaz de combustion dans un foyer de moteur à vapeur peut atteindre 1 000 °F (550 °C), température à laquelle le cuivre , à partir duquel historiquement la plupart des foyers ont été fabriqués, se ramollit à un état qui ne peut plus supporter la pression de la chaudière et un grave Une explosion se produira si de l'eau n'est pas versée rapidement dans la chaudière et si le feu n'est pas supprimé ou éteint. Le trou à travers le bouchon est trop petit pour avoir un effet important sur la réduction de la pression de la vapeur et la petite quantité d'eau, le cas échéant, qui le traverse ne devrait pas avoir un grand impact sur l'extinction du feu.

Histoire

L'appareil a été inventé en 1803 par Richard Trevithick , le promoteur des machines à vapeur à haute pression (par opposition à atmosphérique ), à la suite d'une explosion dans l'une de ses nouvelles chaudières. Ses détracteurs s'empressaient de dénoncer tout le concept de vapeur à haute pression, mais Trevithick a prouvé que l'accident s'était produit parce que son pompier avait négligé de garder la chaudière pleine d'eau. Il a largement diffusé son invention, sans brevet, pour contrer ces critiques.

Expériences

Des expériences menées par le Franklin Institute de Boston dans les années 1830 avaient d'abord mis en doute la pratique consistant à ajouter de l'eau dès que l'on constatait la fuite de vapeur à travers l'appareil. Une chaudière à vapeur était équipée d'une petite fenêtre d'observation en verre et chauffée au-delà de sa température de fonctionnement normale avec le niveau d'eau en dessous du sommet de la chambre de combustion. Lorsque de l'eau a été ajoutée, il a été constaté que la pression augmentait soudainement et que le verre d'observation se brisait. Le rapport a conclu que la température élevée du métal avait vaporisé l'eau ajoutée trop rapidement et qu'une explosion était le résultat inévitable. Ce n'est qu'en 1852 que cette hypothèse a été contestée : Thomas Redmond, l'un des propres inspecteurs de l'Institut, a spécifiquement écarté cette théorie dans son enquête sur l'explosion de la chaudière du navire à vapeur Redstone sur la rivière Ohio le 3 avril de la même année. Une enquête de 1907 au Pays de Galles est arrivée à une conclusion similaire : une locomotive à vapeur appartenant au chemin de fer de Rhymney a été envoyée par inadvertance avec ses soupapes de sécurité mal assemblées. La pression dans la chaudière s'est accumulée au point que les injecteurs ont échoué ; la feuille de la couronne se découvrit, fut affaiblie par la chaleur du feu et explosa violemment. L'enquête, menée par le colonel Druitt de l' Inspection des chemins de fer , a écarté la théorie selon laquelle les mécaniciens avaient réussi à démarrer les injecteurs et que la crue soudaine d'eau froide avait provoqué une telle génération de vapeur que la chaudière a éclaté. Il a cité les résultats d'expériences menées par la Manchester Steam Users' Association , un organisme national de certification et d'assurance des chaudières, qui ont prouvé que le poids du cuivre présent (considéré avec sa chaleur spécifique ) était insuffisant pour générer suffisamment de vapeur pour augmenter la pression de la chaudière. . En effet, l'ajout d'eau froide avait fait chuter la pression. Dès lors, il a été admis que l'action correcte en cas de fonctionnement du bouchon fusible était d'ajouter de l'eau.

Bouchons fusibles fourrés

Fiche fusible avec un noyau

La conception originale était un simple bouchon solide rempli d'une limace d'alliage à bas point de fusion. Lorsque cela fond, il fond d'abord comme un canal étroit à travers le bouchon. De la vapeur et de l'eau commencent immédiatement à s'échapper. Le bouchon fusible à noyau a été développé dans les années 1860 pour donner une large ouverture dès que l'alliage se ramollit. Cette version a un centre en laiton massif ou en bronze, soudé en place par une couche d'alliage à bas point de fusion. En cas de surchauffe, le bouchon ne libère pas de vapeur ou d'eau jusqu'à ce que l'alliage fonde suffisamment pour libérer le bouchon central. Le bouchon tombe maintenant en panne de manière spectaculaire, ouvrant immédiatement tout son alésage. Ce jet à passage intégral est alors plus susceptible d'être remarqué.

Bouchons fondus inaperçus

Un inconvénient de l'appareil a été découvert le 7 mars 1948, lorsque la feuille de couronne de la chambre de combustion de la princesse Alexandra , un Coronation Pacific du London, Midland and Scottish Railway , s'est rompue lors du transport d'un train de passagers de Glasgow à Londres. Les enquêtes ont établi que les deux jauges d'eau étaient défectueuses et qu'au cours d'un voyage plus tôt dans la journée, l'un ou les deux bouchons fusibles avaient fondu, mais cela n'avait pas été remarqué par l'équipage du moteur en raison du fort courant d'air qui éloignait d'eux la vapeur qui s'en échappait.

Maintenance

Composition de l'alliage

L'enquête a montré l'importance de l'alliage sur le vieillissement du bouchon. Les alliages ont été initialement privilégiés car ils offraient des points de fusion eutectiques inférieurs à ceux des métaux purs. Il s'est avéré cependant que les alliages vieillissaient mal et pouvaient favoriser le développement d'une matrice d'oxydes à la surface de l'eau du bouchon, cette matrice ayant un point de fusion dangereusement élevé qui rendait le bouchon inutilisable. En 1888, le service d'inspection des bateaux à vapeur des États-Unis a exigé que les bouchons soient fabriqués en étain de banca pur et remplacés chaque année. Cela a évité la contamination par le plomb et le zinc . La contamination par le zinc était considérée comme un problème si grave que le boîtier des bouchons était également passé du laiton (un alliage cuivre-zinc) à un bronze cuivre-étain sans zinc , pour éviter le risque de migration du zinc du boîtier dans l'alliage prise de courant.

Vieillissement de la prise

Dans les années 1920, des enquêtes menées par le US Bureau of Standards , en collaboration avec le Steamboat Inspection Service, ont révélé qu'en cours d'utilisation, l' incrustation et l' oxydation au-dessus du noyau fusible peuvent augmenter le point de fusion de l'appareil et l'empêcher de fonctionner en cas de besoin : points de fusion en excès de 2000 °F (1100 °C) dans les exemples utilisés ont été trouvés. La pratique actuelle typique dans les locomotives exige que les nouveaux bouchons soient inspectés après « 15 à 30 jours ouvrables (en fonction de l'état de l'eau et de l'utilisation de la locomotive) ou au moins une fois tous les six mois », en fonction de la pression et de la température de fonctionnement de la chaudière.

Autres applications

Le principe du bouchon fusible s'applique également au transport des gaz de pétrole liquéfiés , où les bouchons fusibles (ou de petites pièces exposées de la membrane de revêtement des conteneurs) sont conçus pour fondre ou devenir poreux si une température trop élevée est atteinte : un le dégagement, à une température typique de 250 °F (120 °C), est préférable à un dégagement explosif (un " BLEVE ") à une température plus élevée. Les conteneurs de gaz corrosifs, tels que ceux utilisés pour le chlore liquide , sont équipés d'un ou plusieurs bouchons fusibles avec une température de fonctionnement d'environ 158 à 165 °F (70-74 °C).

Les bouchons fusibles sont courants dans les roues d'avions, généralement dans les avions plus gros ou à hautes performances. Les charges thermiques très importantes imposées par des conditions d'atterrissage et de freinage anormales (telles qu'un décollage interrompu à grande vitesse , où un aéronef chargé de carburant doit freiner fortement d'une vitesse très élevée à un arrêt sur une distance relativement courte) peuvent provoquer la pression dans les pneus pour augmenter au point que le pneu pourrait éclater, donc des bouchons fusibles sont utilisés comme mécanisme de décharge. Le gaz évacué peut être dirigé pour refroidir les surfaces de freinage.

Des bouchons fusibles sont parfois installés sur les récepteurs des compresseurs d'air par mesure de précaution contre l'inflammation de toute vapeur d'huile lubrifiante qui pourrait être présente. Si l'action du compresseur chauffe l'air au-dessus d'une température sûre, le noyau fondra et relâchera la pression.

Les systèmes de climatisation automobile étaient généralement équipés de bouchons fusibles, fonctionnant à 100-110 °C, mais en raison des préoccupations concernant les effets environnementaux de tout gaz réfrigérant libéré , cette fonction a été prise en charge par un interrupteur électrique.

Un type de coffre-fort ignifuge breveté (brevet publié en 1867) utilise un bouchon fusible pour arroser son contenu d'eau si la température extérieure devient trop élevée.

Voir également

Les références