Brevet FR2064371A1 — publié le 19710723

" La présente invention a pour objet un procédé pour la pose en sous-sol d'une canalisation devant être utilisée à une température relativement élevée. Depuis un certain nombre d'années, des canalisations pour le transport à grande distance de liquides comme des produits pétroliers lourds, ont souvent été posées en sous-sol, et utilisées à des températures relativement élevées. La pose de ces canalisations est généralement effectuée à la température ambiante mais, au cours de leur service effectif, l'élévation de leur température est à l'origine d'efforts d'orlgin® th€srrilqueL».ces effort s allant souvent jusqu'à amener la rupture des tubes s 'ils dépassent la valeur admissible pour le matériau constituant les tubes. C'est pourquoi la canalisation comporte habituellement des joints ou coudes de dilatation, à des intervalles convenables. On va maintenant exposer le problème des efforts d'origine thermique qui se développent dans un tube enterré soumis à une variation de température. On adoptera les symboles ci-après : Unités 20 Fi Effort dû à une différence de température (01 - 02) Diamètre du tube D t y a i E 9 i 0 2 Kg cm cm 40 Epaisseur de la paroi du tube Force de frottement par unité de surface du tube, entre la surface du tube et le terrain kg/cm Coefficient de dilatation linéaire du tube "C-1 Longueur du tube cm Module d'élasticité longitudinal du tube kg/cm2 Température du tube après chauffage °C Température de l'environnement du tube (température du terrain) °C £ Coefficient de frottement entre la surface du tube et le terrain P Pression exercée par le terrain Fg Force de frottement supplémentaire sur le tube, due à la pression du terrain O— Effort de compression sur le tube, par unité de surface Le tube s'allonge, par unité de longueur, d'une quantité e((0 1 - & 2Mais s'il s'exerce sur le tube une force extérieure Fl exprimée par l'équation : kg/cm2 kg kg/cm2 70 36957 2 2064371 Fi c01 - 0 2)E n d t (i) le tube ne s'allonge pas. Il s'exerce d'autre part sur le tube enterré une force de frottement due à la pression du terrain, cette force P2 étant ex-5 primée par l'équation f2 = /rr d 1 ■... (2) Par suite, si F2 est égale ou supérieure à Pi, le tube ne se dilate ni ne se contracte par rapport au terrain sous l'effet d'une différence de température. La longueur î de tube permettant 10 de satisfaire à la condition F2 résulte des équations (l) et (2), soit : 1>°( (6 1 - 0 2) E_t (3) ■ . r le diamètre du tube n'ayant pas d'effet sur cette valeur. 15 La force de frottement y est donnée par l'équation Y = f P (4) On va maintenant donner un exemple concret. Soit un tube enterré à une profondeur égale à 1 mètre, avec P = 0,15 kg/cm2 et f = 0,2 . D'où : = 0,03 kg/cm2. Si le tube est en acier,dt, = 12. 20 10"^ , et E = 2,1 . lofi kg/cm2. Si (01 - 0 2) est égal à 20°C, et £ à 0,6 cm, 1 est égal à 100 mètres. Par suite, si l'on enterre une canalisation longue de 100 mètres ou davantage, il n'y a aucune dilatation ou contraction de la canalisation par rapport au terrain pour une différence de tem-25 pérature de 20°C environ. Par ailleurs, l'effort de compression est égal à : CT =o( ( 9 1 - 0 2) E - - (5) et, dans l'exemple cité 0" = 500 kg/cm2. 30 II n'y a donc pas rupture du tube. Par suite, pour la dif férence de température indiquée pour le tube enterré, il n'y a pas à tenir compte de la dilatation. Mais si la différence de température dépasse 60°C,0~ devient égal à 1.500 kg/cm2, ou davantage, d'après l'équation (5)> ce qui dépasse l'effort supportable par le 35 tube. Pour éviter sa rupture, on doit donc tenir compte de la dila tation du tube. Aussi les canalisations ont-elles jusqu'à présent toujours comporté des joints ou des coudes de dilatation.--Mais ces organes sont très coûteux, et leur adjonction à des éléments enter rés soulève des difficultés d'entretien et d'inspection. ^0 Par contre s'il était possible, dans le cas d'un tube suffi 70 36957 3 2064371 samment long soumis à une différence de température d'environ 60°C par rapport au terrain, d'effectuer la pose après une dilatation du tube jusqu'à une longueur correspondant à une température supérieure de 20 à 30°C à celle de son environnement, cette longueur 5 étant bloquée par la pression du terrain, l'effort thermique sur le tube en service pourrait être réduit jusqu'à une valeur correspondant à une différence de température de 30 à 4o°C, et l'effort deviendrait de l'ordre de 750 à 1000 kg/cm2, même dans le cas d'une canalisation de très grande longueur. Il serait donc possible d'évi-10 ter toute rupture du tube, sans avoir recours à des joints ou des coudes de dilatation. Mais il est évidemment difficile d'enterrer une canalisation tout en la maintenant à l'état chauffé et dilaté. Aussi un premier objectif de la présente invention est-il de fournir un procédé visant à éviter, pour une canalisation enterrée de grande 15 longueur utilisée à une température élevée, toute rupture résultant d'un effort thermique, et cela sans utilisation de joints ou de coudes de dilatation. Un second objectif de l'invention est de fournir un procédé pratique pour la mise en place d'une canalisation enterrée de grande 20 longueur, à l'état chauffé et dilaté. La demanderesse a découvert que ces objectifs peuvent être atteints par le procédé décrit ci-après, constituant l'invention. Selon ce procédé, une canalisation enterrée est mise en place tout en étant maintenue à une température supérieure à celle du terrain, 25 grâce à un tube générateur de chaleur utilisant les phénomènes de conduction électrique superficielle (effet de peau ou effet KELVIN), fixé à chacun des tubes formant la canalisation, pendant que celle-ci est en service ledit procédé comportant les phases suivantes : a) on chauffe chacun des tubes formant la canalisation par 30 passage d'un courant alternatif avec utilisation de l'effet KELVIN dans le tube générateur de chaleur, fixé à chacun desdits tubes, de façon à dilater chaque tube jusqu'à une longueur comprise entre la longueur dudit tube dans l'état correspondant à peu près à l'absence de tout effort dans le sens longitudinal à la température du 35 terrain environnant, et la longueur du même tube dans l'état correspondant à peu près à l'absence de tout effort dans le sens longitudinal à la température de fonctionnement ; b) on raccorde chaque tube ainsi dilaté c) on remblaye le terrain sur chaque tube, de façon à bloquer 40 la canalisation par la pression du terrain. 70 36957 4 2064371 Le tube générateur de chaleur utilisant le courant par effet KELVIN, et employé selon la présente invention, est celui décrit dans le brevet japonais N° 460 224 (brevet américain correspondant N° 3 293 407), ou celui décrit dans le brevet japonais N° 20427/ 5 1966 (brevet américain correspondant N° 3 515 837). Un tube générateur de chaleur utilisant le courant par effet KELVIN, et employé selon la présente invention va maintenant être décrit, avec référence aux dessins annexés où : la Pig. 1 montre schématiquement le circuit électrique d'un 10 tube générateur de chaleur utilisant l'effet de conduction superficielle, ou effet Kelvin, d'uncourant alternatif engendré par une source de courant, allant de ladite source au tube générateur de chaleur par-un conducteur, le circuit se refermant sur la source ; la Pig. 2 montre schématiquement le circuit électrique d'un 15 tube générateur de chaleur utilisant l'effet Kelvin d'un courant alternatif monophasé, cet effet étant engendré dans la portion superficielle desdits tubes de chauffage par le courant alternatif circulant dans les conducteurs ; la Pig. 3 montre schématiquement le circuit électrique d'un 20 tube générateur de chaleur utilisant l'effet Kelvin d'un courant triphasé, cet effet étant engendré dans la portion superficielle desdits tubes de chauffage par le courant alternatif circulant dans les conducteurs. Ces Pig. 1, 2 et 3 illustrent des mises en oeuvre du principe 25 des tubes de chauffage utilisant l'effet Kelvin, employés conformément à la présente invention. la Pig. 4 est une vue en coupe transversale de l'ensemble formé par une canalisation et un tube de chauffage qui lui est annexé ; 30 la Pig. 5 est une vue en coupe longitudinale montrant une mise en oeuvre de l'invention. Le tube de chauffage de la Pig. 1 est le tube à effet Kelvin décrit dans le brevet japonais N° 460 224 (Brevet Américain 3 293 407) déjà cité. Suivant cette figure, un circuit électrique 35 est réalisé en faisant passer un conducteur isolé 2 à l'intérieur d'un tube en un matériau ferro-magnétique, comme un tube d'acier 1, ce conducteur isolé étant relié par l'une de ses extrémités à l'extrémité (6) du tube le plus éloigné d'une source de courant 4, et par son autre extrémité voisine de la source 4, à ladite source, l'autre borne de celle-ci étant reliée à l'extrémité 7 du tube la 70'36957 5 2064371 • plus voisine de la source de courant. Dans un tel circuit, si la résistivité du métal ferromagnétique du tube est égale à ^ (en ohms-cm), sa perméabilité à /u , et la fréquence du courant à | (en Hz), l'épaisseur de paroi du tube S (cm) dans laquelle circule 5 le courant alternatif est donnée par la formule : S = 5030 \j P (6) V Si les relations suivantes t>2S , d^>S , 10 sont vérifiées entré S, l'épaisseur fc de la paroi du tube, la longueur 1 du tube, et le diamètre intérieur d du tube, toutes ces . grandeurs étant exprimées en cm, le courant alternatif 5 traversant le tube 1 est concentré sur la surface interne de la paroi du tube, et aucun potentiel n'apparâit pratiquement à la surface externe. 15 En particulier, même si cette surface externe est court-circuitée entre deux de ses points par un fil conducteur à faible impédance, il n'y passe pratiquement aucun courant. Par conséquent, même si le tube d'acier est soudé directement à un matériau à chauffer, il » peut être employé en toute sécurité comme élément chauffant. 20 Les Pig. 2 et 3 indiquent la disposition des circuits dans les tubes de chauffages utilisant le courant par effet Kelvin, décrits dans le brevet japonais déjà mentionné N° 12128/1965 (Brevet américain 3 515 837). Sur la Pig. 2, les références 8 et 9 désignent des tubes en un matériau ferro-magnétique, et un circuit secondaire 25 est constitué par liaison électrique des extrémités de ces tubes par des conducteurs 13 et"14. Le circuit primaire est constitué par un fil isolé 10-11, relié à une source de courant alternatif 12 et passant à l'intérieur des tubes 8 et 9. Si les relations (6) et (7) indiquées plus haut sont respec-30 tées dans le cas de la Pig. 2, le courant secondaire 16 correspondant au courant primaire 15 reste concentré sur la surface interne de la paroi des tubes ferromagnétiques, et aucun potentiel n'apparaît à la surface externe de ces tubes. Ce tube' peut donc être utilisé en toute sécurité comme tube de chauffage, la source de 35 chaleur étant le courant électrique passant dans le tube ferromagnétique, comme dans le cas de la Fig. 1. Alors que la Fig. 2 correspond à un circuit utilisant un courant monophasé, la Fig. 3 correspond à l'utilisation d'un courant triphasé, les nombres 17, 18 et 19 désignent des tubes ferroma-40 gnétiques, et les nombres 25, 26, 27, 28, 29 et 30, des conducteurs 70 36957 6 2064371 reliant ces tubes deux à deux, un circuit secondaire étant formé par réunion des extrémités des tubes, comme le montre la figure. Le circuit primaire est formé par des fils isolés 20, 21 et 22, reliés respectivement aux trois phases d'un générateur de courant 5 triphasé 24, chaque fil passant à l'intérieur de. l'un des trois tubes ferromagnétiques 17, l8 et 19, les trois fils ayant une jonction commune 23. Si dans ce cas, les relations (6) et (7) sont encore respectées, les courants secondaires 34, 35 et 36 correspondant res-10 pectivement aux courants primaires 31, 32 et 33 s'écoulent sur les surfaces internes de la paroi des tubes ferro-magnétiques, et aucun potentiel n'apparaît à la surface externe des tubes. Ces tubes peuvent donc être, comme dans le cas des Pig. 1 et 2, utilisés avec sécurité comme tubes chauffants. 15 la Pig. 4 représente schématiquement une canalisation de transport 38, à laquelle est annexé un tube chauffant 4l utilisant l'effet Kelvin d'un courant. Dans cette figure, il n'y a qu'un seul tube calorigène, mais on peut, si nécessaire, en utiliser deux ou davantage. 20 Un fil isolé 40 passe à l'intérieur du tube ferromagnétique 39. Un courant correspondant à celui passant dans le fil 40, et ayant presque la même valeur, s'écoule le long de la surface interne de la paroi du tube 39, en y engendrant de la chaleur. Néanmoins, même s'il existe une liaison électrique, comme une soudure 42, entre 25 la canalisation 38 et le tube 41, il ne passe pratiquement aucun courant dans la canalisation de transport. Comme il a été dit plus haut, la^ présente invention a pour objet un procédé de pose d'une canalisation enterrée devant être chauffée au moyen d'un tube chauffant tel que celui décrit précédem-30 ment, La mise en oeuvre de ce procédé est représentée plus en détail par la Fig. 5. Sur la Fig. 5» les références 57, 58 et 59 désignent des tubes de transport devant être enterrés. Les références 60, 6l, 62 désignent des tubes chauffants semblables à ceux décrits à propos 35 des Pig. 1, 2, 3 et 4. Des conducteurs 43, 44 amènent le courant aux tubes calorigènes. La référence 45 désigne une boîte de connexion pour les fils passant à l'intérieur des tubes calorigènes. Il est prévu des sources 46 et 47 de courant alternatif, tandis que les références 48, 4;9 et 50 désignent des fosses de travail 40 pour le raccordement des tubes de transport d'une part, et des tubes BAD ORIGINAL 70 36957 7 2064371 chauffants d'autre part dont les dimensions doivent être judicieusement choisies pour être adaptées aux conditions de travail. On doit aussi effectuer le remblai en terre tel qu'en 51» 52 et 53 pour les tubes 57» 58 et 59» ces tubes étant immobilisés en terre 5 par la pression exercée par le terrain sur chacun d'eux. Les raccords des tubes de transport et des tubes chauffants sont représentés en 5^ et 55. Sur la Fig. 5» le raccord 5^ est déjà mis en place. Les opérations de pose et de raccordement sont effectuées dans l'ordre des tubes 57» 58 et 59- Sur la Figure» une portion terminée est 10 représentée sur la gauche, et une portion non terminée sur la droite Le courant de chauffage passe, selon la figure, dans les tubes chauffants 61 et 62, respectivement annexés aux tubes de trans port 58 et 59- Après leur montage et leur mise en place les tubes chauffants 15 60, 6l, 62 etc. sont reliés entre eux en série grâce à une boîte de connexion, de façon que chaque tronçon de tube soit soumis à la tension convenable à partir des sources de courant. Il y a, pour chaque tube chauffant 6l et 62 de la Fig. 5» formation d'un circuit analogue à l'un quelconque de ceux des Fig.l , 2 et 3. 20 11 a été expliqué précédemment que l'objet de la dilatation longitudinale des tubes par chauffage au moyen des tubes"chauffants au moment de la pose des tubes est de diminuer le plus possible les efforts thermiques subis par les tubes formant la canalisation, aussi bien lorsqu'ils se touvent à la température ambiante que lors 25 de leur utilisation à une température relativement élevée. On doit donc viser à ce que la température à laquelle les tubes sont portés par lesdits tubes chauffants soit approximativement située au milieu de l'intervalle entre la température ambiante et la température d'utilisation. Si un tube est mis en place librement à la tempéra-30 ture en question de façon à pouvoir se dilater, et qu'une force de frottement exprimée par l'équation (2) puisse s'exercer entre le tube et le terrain environnant les tubes seront soumis à un effort négatif (tension) à la température ambiante, et à un effcrt positif (compression) en utilisation, les deux efforts étant, en 35 valeur absolue, à peu près égaux . Pour parvenir au résultat indiqué,lors de la mise en place des tubes enterrés 58 et 59, plusieurs procédés peuvent être appliqués . Selon un premier procédé,chaque tube est mis en place en 70 36957 8 2064371 sous-sol, mais sans les éléments de raccordement. Il est ensuite chauffé au moyen des tubes chauffants annexés, et ainsi allongé, puis soumis au frottement de la terre de remblai, chaque tube étant ensuite raccordé au précédent. De préférence, les tronçons de tube 5 58 et 59 sont relativement courts, de façon que la force d'allongement soit pour chaque tube supérieure à la force de frottement du terrain environnant, au moment où l'on fait passer le courant de chauffage, tandis que la longueur totale des tubes ainsi reliés, est de préférence relativement grande, de façon que les tubes 10 soient maintenus par la pression du terrain, et subissent un effort négatif lorsque la liaison entre les tubes est achevée, les tubes étant froids. C'est ainsi que dans l'exemple mentionné plus haut, il faut que les longueurs des tubes soient inférieures à 100 mètres au moment du passage du courant de chauffage, tandis que la longueur 15 totale assemblée lorsque -les tubes sont refroidis doit être au moins égale à 100 mètres. On préfère donc, comme le montre la figure, diviser en deux sections la source d'énergie fournissant le chauffage et régler indépendamment les puissances dépensées pour le chauffage des tubes 20 58 et 59. En d'autres termes, il est préférable, en réunissant en 55 les tubes 58 et 59» de réduire la longueur du tube 59 afin de diminuer les efforts qui s'exercent sur les tubes à chaud, tandis qu'il est préférable d'augmenter la longueur de l'ensemble des tubes 57» 58 et 59 et de ceux qui leur seront ensuite raccordés vers la 25 droite, de façon à produire un effort négatif dans le tube 58, une fois celui-ci refroidi après réalisation du raccordement. Il apparaît donc préférable de subdiviser le dispositif fournisseur d'énergie en deux sections, et de faire passer séparément dans chaque tube mis eh place les courants de chauffage. 30 Selon un second procédé, une longueur unitaire de tube est déposée dans une tranchée, on dilate en longueur le tube par chauffage à la température voulue, et on fixe le tube par compression du terrain, en remblayant autour du tube la terre chauffée à une température à peu près égale à celle du tube. 35 Selon un troisième procédé, on amène autour de chaque tube une petite quantité de terre de remblai, de façon à diminuer la force de frottement s'exerçant sur le tube, on chauffe celui-ci en même temps que la terre qui l'enveloppe, au moyen des tubes chauffants jusqu'à une température supérieure à celle de la terre, mais 40 inférieure à la température de la canalisation en service, et on BAD ORDINAL 70 36957 9 2064371 soumet le tube à la force de frottement voulue en complétant le remblai avec de la terre à la température ambiante, jusqu'au niveau du sol. Le second et le troisième procédés sont utilisés dans le cas 5 de tubes de faibles capacité calorifique. En effet, si de la terre à température ambiante est remblayée sur les tubes, et que ceux-ci se refroidissent, l'allongement cherché disparaît et la mise du tube sous effort négatif, c'est-à-dire sous tension à la température ambiante, devient impossible. 10 Si toutefois le tube est entouré d'une couche isolante 37» comme le montre la Pig. 4, la sujétion ci-dessus disparaît. Aussi un quatrième procédé consiste à faire allonger le tube porteur d'une couche isolante par passage du courant de chauffage dans le tube chauffant,pçiis àremblayer autour du tube la terre à la tempé-15 rature ambiante. On peut également combiner d'une manière convenable les divers procédés mentionnés. Il va de soi que, lorsque la source d'énergie 46 a terminé son rôle de chauffage du tube, elle peut être enlevée et utilisée à nouveau pour chauffer un autre tube. 20 La canalisation ainsi constituée et posée par éléments suc cessifs est immobilisée aux endroits voulus, de sorte qu'un effort négatif, c'est-à-dire une tension, subsiste dans la canalisation à la température ambiante, tandis qu'il ne se produit dans la canalisation en service aucun effort de compression supérieur à la valeur 25 admissible pour le matériau du tube. Aucun joint de dilatation, aucun coude ne sont donc nécessaires sur toute la longueur de la canalisation. Grâce au procédé suivant l'invention, il est possible d'effectuer de façon simple et économique la pose d'une canalisation, par exemple de transport d'un produit pétrolier lourd, devant fonc-30 tionner à une température supérieure à la température ambiante. 70 36957 10 2064371 REVEKDI CATIONS . 1. Procédé de pose en sous-sol d'une canalisation fonctionnant en situation enterrée, et chauffée à une température supérieure à celle du sol au moyen d'un tube chauffant utilisant un phénomène 5 de conduction électrique superficielle ou effet de peau et fixé à chacun des tubes individuels de la canalisation pendant que celie-ci est en service, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes : a) on chauffe chacun des tubes formant la canalisation par pas-10 sage d'un courant alternatif dans le tube chauffant fixé à chacun desdits tubes, avec production d'un effet Kelvin, de façon à dilater en longueur chaque tube jusqu'à une longueur comprise entre la longueur dudit tube dans l'état correspondant à peu près à l'absence de tout effort sur le tube dans le sens longitudinal à la tempéra-15 ture du terrain environnant, et la longueur du même tube dans l'état correspondant à peu près à l'absence de tout effort sur le tube dans le sens longitudinal à la température d'utilisation; b) on raccorde chaque tube ainsi dilaté ; c) on remblaye de la terre autour de chaque tube, de façon que 20 la canalisation soit bloquée par la pression du terrain. 2. Procédé de pose d'une canalisation suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on enterre en premier lieu la plus grande partie de chaque tube à l'exception des parties de raccordement, on chauffe chacun des tubes formant la canalisation par pas- 25 sage d'un courant alternatif dans le tube chauffant fixé à chacun desdits tubes de façon à l'allonger à l'encontre de la force de frottement causée par la pression du terrain, puis on raccorde chaque tube à un tube précédent de façon à former une canalisation enterrée. 30 3. Procédé de pose d'une canalisation suivant la revendica tion 1, caractérisé en ce qu'on chauffe chaque tube à une température supérieure à celle du terrain, mais inférieure à celle de la canalisation en service, sans remblayer la terre autour du tube, par passage d'un courant alternatif dans le tube chauffant fixé à 35 chaque tube de façon à allonger celui-ci, et on amène ensuite autour du tube la terre de remblai préalablement chauffée à une température • . voisine de la température définie ci-dessus, de façon à bloquer chaque tube par la pression exercée par le terrain. 4. Procédé de pose d'une canalisation suivant la revendica-40 tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : 70 36957 ii 2064371 a) on amène autour de chaque tube une petite quantité de terre de remblai de façon à diminuer la force de frottement exercée sur le tube ; b) on chauffe le tube, en même temps que la terre environnante, 5 au moyen dudit tube chauffant, jusqu'à une température supérieure à celle du terrain mais inférieure à celle de la canalisation en service; c) on produit la force de frottement nécessaire en complétant le remblai avec de la terre à la température ambiante, jusqu'au 10 niveau du sol.