Brevet FR2472716A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne une canalisa- tion pour le transport de fluides chauds ou froids tels que l'eau chaude de chauffage, le pétrole brut chauffé ou les gaz refroidis ou liquéfiés à basse température. On sait que le transport des fluides chauds ou froids pose de gros problèmes dans la construction des canalisations destinées au transport de tels fluides. Ces canalisations nécessitent en premier lieu un calori- fugeage efficace pour éviter les déperditions vers l'ex- térieur de la chaleur ou du froid emmagasiné par le fluide. Par ailleurs, lors de la mise en service de ces canalisations, ces dernières subissent des contrain- tes dues à la dilatation ou à la contraction résultant de l'écart avec la température de pose. Pour résoudre ces problèmes, on emploie habi- tuellement des canalisations en acier calorifugées exté- rieurement et comportant des compensateurs de dilatation tels que des soufflets ou des lyres. La réalisation de ces canalisations est complexe et coûteuse. De plus, ces canalisations se prêtent mal au transport à longue distance des fluides chauds ou froids et à l'enfouisse- ment en tranchées. Par ailleurs, ces canalisations exigent une enveloppe résistante et étanche de protection du revêtement extérieur calorifuge. Cette enveloppe résistante et étanche est coûteuse et ne permet pas la protection cathodique des canalisations en acier. Pour remédier à ces inconvénients, on a propo- sé des canalisations réalisées en tubes en alliage invar qui présente un coefficient de dilatation faible, de sorte qu'on évite l'emploi de compensateurs de dilata- tion ou de contraction. Toutefois, l'emploi de l'allia- ge invar est limité aux températures inférieures à 2001C environ, en raison de l'augmentation notable de son coefficient de dilatation thermique à partir de cette température. De plus, le coût très élevé de l'alliage invar a empêché 4usqu'à présent son utilisation industriel- le dans les canalisations de très fortes sections prévues pour le transport de fluides chauds ou froids sur de longues distances. Le but de la présente invention est de créer une canalisation permettant de transporter des fluides chauds ou froids, dont la réalisation est plus économi- que que les canalisations en tubes métalliques calorifu- gés extérieurement, proposées jusqu'à présent. Suivant l'invention,la canalisation pour le transport de fluides chauds ou froids est caractérisée en ce qu'elle comprend des tubes métalliques, rigides, directement assemblés bout à bout, un revêtement en matériau calorifuge disposé à l'intérieur-desdits tubes, la nature et l'épaisseur de ce revêtement calorifuge étant déterminées de façon que la variation de la tempé- rature des tubes métalliques n'entraîne pas de contrainte due à la dilatation ou à la contraction supérieure à celle admissible par la canalisation. Grâce à un tel revêtement calorifuge disposé à l'intérieur des tubes métalliques, ces derniers peuvent être assemblés bout à bout, par exemple par soudage, ou emboîtement verrouillé dans le cas de tubes en fonte, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des moyens de compensa- tion de dilatation ou de contraction coûteux tels que souf- flets ou lyres. En effet, l'isolation thermique apportée par lerevêtement calorifuge disposé à l'intérieur des tu- bes réduit la dilatation ou la contraction de ces tubes-à un tel point que ces derniers ne subissent aucune contrain- te nuisible à l'égard de leur résistance. Ainsi, les tubes métalliques de la canalisa- tion peuvent être réalisés en un matériau bon marché tel que l'acier ordinaire ou la fonte ductile. De plus, les canalisations ne nécessitent aucune protection mé- canique extérieure, puisque le matériau calorifuge est placé en leur intérieur. Par ailleurs, ces canalisations se prêtent aisément à la protection par voie cathodique. Selon une version avantageuse de l'invention, le revêtement calorifuge est un liant hydraulique, par exemple à base de ciment alumineux dans lequel sont noyées des particules inorganiques thermiquement isolan- tes. Un tel revêtement résiste de façon très satis- faisante à des pressions intérieures du fluide de plu- sieurs dizaines de bar. Grâce à ce matériau, l'épaisseur des tubes métalliques peut être relativement faible. De plus, un tel revêtement présente une bonne résistan- ce à l'abrasion causée par le passage du fluide, et présenté une densité relativement faible, ce qui limite le poids de la canalisation. La rigidité du revêtement précité et sa résis- tance à l'abrasion lui sont conférées par le ciment alumineux. Les particules inorganiques thermiquement isolantes confèrent à ce revêtement des propriétés calo- rifuges satisfaisantes. Ces particules peuvent être choisies dans le groupe comprenant les billes de verre expansé, la perlite, les sphères creuses de silice et leur mélange. Pour certaines applications, par exemple, le transport de gaz refroidi à basse température, le liant du revêtement calorifuge peut être une résine synthétique telque le chlorure de polyvinyle ou un élas- tomère, ou une résine époxy. Selon une version préférée de l'invention, le revêtement est constitué par des viroles préfabri- quées séparées les unes des autres par des joints d'é- tanchéité élastiques, résistants à la température du fluide. Ces joints de dilatation encaissent les con- traintes dues à la dilatation longitudinale des viroles. De préférence également, le diamètre extérieur des viroles est légèrement inférieur au diamètre inté- rieur des tubes métalliques, l'espace annulaire compris entre ces derniers et les viroles étant comblé par un matériau de scellement plus élastique que le revêtement calorifuge. Ce matériau de scellement encaisse les con- traintes dues à la dilatation radiale des viroles. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe longitudi- nale d'une canalisation conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant le plan II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue à grande échelle, du détail A de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe longitu- dinale d'une variante de canalisation conforme à l'inven- tion; - la figure 5 est une vue en coupe suivant le plan V-V de la figure 4. - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une canalisation conforme à l'invention,en fonte ductile. Dans la réalisation des figures l et 2, la canalisation est par exemple destinée à être enterrée pour transporter sur une distance de l'ordre de 30 à kilomètres, de l'eau chaude de chauffage portée à -1200C, sous une pression de 25 bars environ et à un débit correspondant à 150.000 Th/h. s La canalisation 1 est composée de tubes 2 en acier ordinaire, directement assemblés bout à bout sur chantier par des soudures 3. Ces tubes 2 sont proté- gés extérieurement par une couche 4 de revêtement anti- corrosion classique. Les tubes en acier 2 comportent à leur inté- rieur, un revêtement calorifuge 5 constitué par des viroles préfabriquées 6 en matériau calorifuge. Ces tubes 2 constituent une enveloppe de frettage pour le revêtement calorifuge 5. Cette matière calorifuge est constituée par exemple par un ciment alumineux réfractai- re enrobant des billes de verre expansé 7. Ces billes de verre expansé 7 peuvent éventuellement être mélangées avec des grains de perlite, des sphères creuses de sili- ce ou autres matériaux thermiquement isolants résistant à la chaleur. Ces billes de verre expansé 7 ou les particu- les thermiquement isolantes précitées confèrent au revê- tement 5 un pouvoir calorifuge relativement élevé pour un matériau à base de ciment. Ainsi, lorsque le revêtement calorifuge 5 renferme 30% en poids environ de billes de verre expan- sé 7, son coefficient de transmission thermique A est égal à 0,3 kcal/m/h/OC, alors.que ce coefficient est supérieur à 1,3 dans le cas d'un ciment alumineux non chargé de billes de verre expansé. Le liant en ciment alumineux du revêtement calorifuge 5 confère à ce dernier une haute résistance aux efforts de pression appliqués par le fluide ainsi qu'une excellente résistance à l'abrasion causée par le passage de ce fluide. L'épaisseur du revêtement calorifuge 5 est déterminée de façon que la température des tubes en acier ordinaire 2 ne dépasse pas 600C quelle que soit la nature des terrains traversés par la canalisation 1. De ce'fait, lors de la mise en service de la canalisation 1, c'est-à-dire lors de l'introduction de l'eau chaude dans cette dernière, la dilatation des tubes 2 sous l'effet de leur augmentation de température à partir de la température ambiante, reste négligeable et les contraintes mécaniques en résultant restent in- férieures aux contraintes admissibles compte tenu de la résistance mécanique des tubes 2. Ainsi la canalisation 1 peut être enterrée sans précaution spéciale et en particulier sans utiliser aucun moyen d'ancrage, aucune butée ni aucun compensateur du genre soufflet, lyre ou analogue. Sur les figures 1 et 2, on voit que le diamè- tre extérieur des viroles 6 est légèrement inférieur au diamètre intérieur des tubes en acier 2. L'espace annulaire compris entre ces tubes 2 et les viroles 6 est comblé par une matière de scellement élastique 8. Cette matière de scellement 8 est plus élastique que le revêtement calorifuge 5. Ce matériau de scellement 8 peut être réalisé par exemple en une matière plasti- que relativement souple comme le polychlorure de vinyle ou encore en un ciment à base de latex. Le matériau de scellement 8 joue un rôle important: d'une part, il rend les viroles 6 solidaires des tubes en acier 2 en absorbant le retrait de ces dernières, et permet d'autre part un effet de frettage du calorifuge dont les contraintes internes dues à la dilatation et à la pression sont transmises aux tubes d'acier 2. Dans le cas de fluides froids une précontrain- te du calorifuge peut être apportée par ce matériau de scellement 8 lors de l'injection (faite alors à haute pression) de façon à compenser la contraction de l'iso- lant sous l'effet du froid et supprimer ainsi les ten- sions internes. Du fait de son élasticité plus importante que celle des viroles 6, le matériau 8 absorbe également les différentielles de dilatation entre les viroles 6 et les tubes 2,ainsi que les chocs mécaniques suscepti- bles d'être appliqués à l'extérieur des tubes 2. On voit par ailleurs sur la figure 1, qu'un jeu e est ménagé entre les extrémités adjacentes 6a, 6b des viroles 6 de façon à permettre la dilatation longitudinale de ces viroles 6. De plus, les extrémités adjacentes 6a, 6b des viroles 6 comportent sur leurs bords intérieur et extérieur (voir fig. 3) des épaule- ments 9a et 9b définissant des logements annulaires dans lesquels sont encastrés des joints 10a et 10b d'é- tanchéité et de dilatation. Ces joints 10a et 10b sont réalisés en une matière élastique résistant chimiquement au fluide et à la température de ce dernier,telle que par exemple un élastomère à base de silicone ou un élas- tomère mélangé avec des fibres d'amiante. Au niveau des soudures 3 réunissant les tubes en acier 2, un joint plat 11 est disposé entre les extré- mités coupées 6c, 6d des viroles 6. Ce joint plat 11 est de préférence en élastomère chargé d'amiante. Pour construire la canalisation 1 qui vient d'être décrite, on procède de la façon suivante: Après avoir préfabriqué les viroles 6, on les engage dans un tube en acier 2, en interposant des joints 10a et 10b entre chaque virole 6 et en laissant un léger dépassement à chaque extrémité du tube 2. L'engagement des viroles 6 dans le tube 2 ne présente aucune difficulté du fait du jeu annulaire existant entre les viroles 6 et le tube 2 et qui tient compte des tolérances de fabrication de ces tubes 2 et des viroles 6. Après centrage de l'ensemble des viroles 6 dans le tube 2, et obturation de l'espace annulaire -aux extrémités, on injecte le matériau de scellement élastique 8. Après pose du matériau de scellement 8, les extrémités sont ajustées à la longueur du tube 2. Les tubes 2 ainsi préparés sont ensuite envoyés sur le chantier de pose ou ils sont soudés bout à bout avec interposition entre les faces 6c et 6d des viroles 6 d'un joint plat 11 dont l'épaisseur est égale à celle du jour nécessaire à la soudure. Le retrait au soudage vient ensuite comprimer le joint. Dans certains cas, o une étanchéité meilleure est nécessaire, un élastomè- re vulcanisant à froid est placé en lla avant la mise bout à bout des tubes 2. L'installation d'une canalisation conforme à l'invention est très aisée et n'exige aucune précaution spéciale étant donné qu'en service, les tubes 2, grâce à l'isolation thermique apportée par le revêtement inté- rieur calorifuge 5, sont soumis à des contraintes parfai- tement compatibles avec la résistance propre de ces tubes. On donne ci-après, à titre d'exemple non limitatif, les caractéristiques numériques d'une canali- sation conforme à la figure 1 destinée à transporter 150.000 Th/h avec de l'eau à 1200C et à être enfouie dans un sol présentant une température moyenne de 100C. Tubes 2: diamètre extérieur 812,8 mm, épais- seur 6 mm. Couche élastique 8: polychlorure de vinyle, épaisseur 10 mm. Revêtement calorifuge 5: ciment alumineux chargé de billes de verre expansé (Expanver), épaisseur 11,5 cm. Coefficient d'isolation thermique du sol: 1,5 kcal/m/h/OC. Profondeur d'enterrement de la canalisation 1: 1,206 m. La composition détaillée du béton utilisé dans cet exemple pour réaliser le revêtement calorifu- ge 5 est la suivante: Billes de verre expansé de 6 à 8 mm de 0: kg; Billes de verre expansé de 1 à 2 mm de 0: 111 kg; Sphères de silice creuses de 20 à 200 microns de diamètre: 133 kg. Ciment alumineux fondu: 333 kg. Eau: 180 litres. Dans cet exemple, la température des tubes en acier 2 est maintenue en service à 610C. Les pertes thermiques sont ainsi réduites à 272 Th/h/km. Dans la réalisation selon les figures 4 et , le revêtement calorifuge 12 est disposé à l'intérieur de manchons 13 en acier ordinaire assemblés bout à bout par des soudures 14. Les manchons 13 sont séparés des tubes extérieurs 2 en acier par un espace annulaire 15. Le centrage des manchons 13 portant le revête- ment calorifuge intérieur 12 est réalisé au moyen d'ailet- tes 16 fixées radialement sur la périphérie des man- chons en acier 13. Dans la réalisation représentée, les extrémi- tés adjacentes 12a, 12b des viroles composant le revête- ment intérieur calorifuge 12 sont emboîtées les unes dans les autres, l'étanchéité étant réalisée au moyen de joints annulaires 18, 17 en élastomère. La canalisation représentée sur les figures 4 et 5 comporte donco.deux compartiments concentriques 19 et 15. Le compartiment intérieur 19 est destiné au transport d'un fluide froid ou chaud, par exemple de l'eau chaude comme dans le cas de la réalisation représentée sur les figures 1 et 2. Le revêtement intérieur calorifuge 12 assure comme précédemment l'isolation thermique par rapport à l'extérieur et le maintien des manchons 13 en acier ainsi que des tubes extérieurs 2 à une température infé- rieure au seuil d'apparition des contraintes critiques dans ces derniers. L'espace annulaire ou compartiment extérieur 15 permet le transport d'un fluide à une température inférieure à celle du fluide contenu dans le compartiment intérieur 19. Dans une application préférée de l'invention, le compartiment extérieur 15 permet d'assurer le retour de l'eau froide après que l'eau chaude transportée dans le compartiment intérieur 19 ait échangé sa chaleur dans une installation de chauffage quelconque. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi la canalisation conforme à l'invention peut s'appliquer aux transports de tous les fluides chauds jusqu'à une température dépassant 4000C. La canalisation conforme à l'invention peut également s'appliquer aux transports de fluides froids, tels que du gaz naturel refroidi à -700C. Dans ces applications, ainsi que dans les cas o la température du fluide ne dépasse pas +2000C, le liant du revêtement calorifuge interne est de préfé- rence en une résine appropriée telle que chlorure de polyvinyle, résine époxy ou élastomère. On donne ci-après un exemple non limitatif de revêtement calorifuge utilisant un liant à base de résine époxy. - Sphères creuses de silice type "Régisphère": 200 kg - Perlite de 1 mm de diamètre: 75 kg - Résine époxy (Araldite E): 183 kg - Durcisseur HY842: 91,5 kg Le revêtement ainsi obtenu présente une ré- sistance à la compression de 78 bars et un coefficient de transmission calorifique. de 0,15 kcal/m/h/0C. Les tubes extérieurs 2 de la canalisation conforme à l'invention n'étant pas en contact avec le fluide transporté peuvent être réalisés en acier ordinai- re. Ceci constitue une économie considérable dans les cas de très basses ou très hautes températures, nécessi- tant habituellement des aciers alliés spéciaux. Dans le cas de lignes sous-marines à grande profondeur, la pose d'un calorifuge résistant aux com- pressions à l'intérieur des tubes en acier 2 permet une économie substantielle sur l'apaisseur de ces tubes étant donné qu'une partie importante de la pression est encaissée par le revêtement calorifuge de sorte que ce dernier constitue en même temps un élément d'allè- gement permanent de la canalisation. Dans la réalisation selon la figure 6, on a représenté une canalisation conforme à l'invention, dans laquelle les tubes extérieurs 2a sont réalisés en fonte ductile. Les extrémités 2b et 2c de ces tubes 2a sont emboîtées les unes dans les autres et verrouillées ensemble au moyen de l'organe de verrouillage 20. Le joint plat lla est compris entre les extrémités 2b et 2c. REVENDICATIONS 1. Canalisation pour le transport de fluides chauds ou froids, caractérisée en ce qu'elle comprend des tubes (2) métalliques et rigides, directement assem- blés bout à bout, un revêtement (5) en matériau calorifu- ge disposé à l'intérieur desdits tubes, la nature et l'épaisseur du revêtement calorifuge (5) étant détermi- nées de façon que la variation de la température des tubes métalliques n'entraîne pas de contrainte due à- la dilatation ou contraction, supérieure à celle admissi- ble par la canalisation (1). 2. Canalisation conforme à la revendication 1, appliquée notamment au transport des fluides chauds ou froids sous haute pression, caractérisée en ce que le revêtement calorifuge (5) comprend des particules inorganiques (7) thermiquement isolantes noyées dans un liant, l'ensemble étant capable de résister à la pression du fluide. 3. Canalisation conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que le liant est un liant hydrau- lique. 4. Canalisation conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que le liant est à base de ciment alumineux. 5. Canalisation conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que le liant est une résine synthé- tique ou un élastomère. 6. Canalisation conforme aux revendications 2 à 5, caractérisée en ce que lesdites particules inor- ganiques (7) thermiquement isolantes sont choisies dans le groupe comprenant les billes de verre expansé, la perlite, les sphères creuses de silice et leur mélange. 7. Canalisation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les tubes (2) sont en acier ordinaire, soudés bout à bout et constituent une enveloppe de frettage du revêtement calorifuge interne. 8. Canalisation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les tubes (2a) sont en fonte ductile, leurs extrémités adjacentes (2b), (2c) étant verrouillées ensemble et ces tubes consti- tuant une enveloppe de frettage du revêtement calorifuge interne. 9. Canalisation conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le revêtement est conslitué par des viroles préfabriquées (6) séparées les unes des autres par des joints d'étanchéité élastiques (lOa, lob) résistant à la température du fluide. 10. Canalisation conforme à la revendication 9, caractérisée en ce que le diamètre extérieur des viroles (6) est légèrement inférieur au diamètre intérieur des tubes métalliques (2), l'espace annulaire compris entre ces der- niers et les viroles étant comblé par un matériau de scel- lement (8) plus élastique que le revêtement calorifuge (5). 11. Canalisation conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau (8) de scellement élasti- que est un ciment à base de latex. 12. Canalisation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le revêtement calorifuge (12) est disposé à l'intérieur de manchons métalliques (13) assemblés bout à bout et est séparé des tubes métalliques extérieurs (2) par un espace annulaire (15) destiné au transport d'un fluide à une température. inférieure à celle du fluide qui est transporté à l'intérieur des manchons métalliques précités. 13. Canalisation conforme à la revendication 12, caractérisée en ce que les manchons (13) sont centrés par rapport aux tubes extérieurs (2) au moyen d'ailettes (16) fixées sur la surface extérieure de ces manchons.