Brevet FR2546264A1 — publié le 19841123

La présente invention concerne un procédé pour installer ou monter des circuits ou réseaux souterrains de conduites calorifugées, selon lequel on pose dans la terre une conduite simple ou double présentant un changement prononcé de direction et, par exemple, présentant une-) configuration angulaire sous une intersection de rues. En pratique, on ne peut éviter d'avoir à poser de longues conduites de transmission de chauffage urbain de façon non linéaire, notamment près des zones urbaines ou à l'intérieur de celles-ci, et il est donc naturel de poser la conduite souterraine en utilisant des éléments courants ou normalisés, sous forme d'éléments linéaires de conduite calorifugée, que l'on raccorde pour former des longueurs partielles linéaires de la conduite de trans- mission, et des éléments de conduite en forme de coude, que l'on monte localement pour permettre les changements requis de direction, de sorte que la canalisation va s'éten- dre en"lignes brisées" En théorie, il est parfaitement possible de produire des éléments de conduite ayant n'importe quelle courbure voulue, ce qui permettrait à la conduite installée de présenter une courbure plus ou moins prononcée mais, en pratique, cela n'est pas économiquement réaliste. Une image typique d'une conduitesouterraine comporte donc un certain nombre de tronçons linéaires s'étendant entre des "points" de forte courbure, et l'on sait bien que cela soulève des problèmes spéciaux concernant les dilatations thermiques pouvant se produire dans la conduite par suite de la variation des températures de celle-ci, notamment sous l'effet de la différence considé- -able de températures existant entre la température ambiante lors du montage de la conduite et la température ulté- rieure bien plus forte lorsque cette conduite est en service. On sait déjà que, pour l'empêcher de subir des variations de longueurs dues à des effets thermiques, on peut de façon générale ancrer une conduite souterraine en la mettant en contact de frottement avec la terre qui l'entoure,de sorte qu'une tendance à la dilatation a juste à être transformée en une plus grande contrainte de compression s'exerçant sur la conduite sans aucun dépla- cement de celle-ci, mais l'on ne trouve pas ce comportement dans les petits tronçons de conduite situés juste au voi- sinage d'un coude car, de l'autre côté de celui-ci, ir n'y aura pas de continuation linéaire d'un tronçon correspondant de conduite dont l'ancrage est dû à des effetsde frottement. Donc, habituellement, on monte un compensateur axial dans la conduite près des courbures, ou bien on les utilise comme compensateurs axiaux, et la matière de calorifugeage présente dans les éléments courbes est molle et souple de sorte que l'un des tronçons adjacents de canalisation peut se dilater vers la courbure en refoulant latéralement vers l'extérieur, dans la zone de cette courbure, l'autre tronçon adjacent de conduite ou branche de canalisation, juste comme, plus tard, une contraction correspondante peut se produire sous l'effet d'une diminution de la tempéra- ture de la conduite En variante, dans certains cas, le ou les tronçons de conduite près de la courbure peut ou peuvent être rigidement ancrés dans la terrepour remplacer l'ancrage avec effet de frottement que subirait un tronçon continu linéaire de conduite. Cependant, des frais considérables et/ou d'autres inconvénients sont liés à l'utilisation de compensateurs axiaux, d'ancragesdans la terre et d'éléments de courbure équipés d'une matière molle d'isolation de calorifugeage. C'est pourquoi l'invention a maintenant pour but de fournir un procédé pour installer un réseau de conduites de façon à résoudre de manièreplus avantageuse le problème exposé. L'invention se fonde sur la reconnaissance du fait que, si à l'extérieur de l'extrémité courbée d'un tronçon de conduite, la terre sera incapable de résister à la pression de dilatation concentrée provenant de la partie externe du tronçon de conduite, car ce tronçon n'est pas alors suffisamment ancré par le frottement de la terre, cette terre pourra néanmoins exercer une certaine contre-pression s'opposant à la dilatation Cette contre- pression n'est pas suffisante pour résister à la pression due à la dilatation juste à l'extérieur d'une courbure aiguë, mais si la courbure de la conduite présente un rayon de courbure relativement grand, la dilatation va se produire à l'encontre d'une contre-pression exercée par une zone de terre considérablement agrandis, ce qui augmente considérablement aussi la contre-pression totale Dans la transition de passage d'un tronçon de conduite linéaire à une conduite très légèrement incurvée, la conduite incurvée sera ancrée, à l'encontre d'un déplacement, déjà sous l'effet du frottement existant exercé par la terre, et lorsque la conduite incurvée présente une courbure légèrement accrue, la résistance au déplacement de la terre au voisi- nage de l'extérieur de la courbure va correspondre à, ou directement provoquer, une telle augmentation de frottement, de sorte que la conduite ne pourra encore pas subir de vrais déplacements par dilatation Pour une courbure encore plus accrue de la conduite incurvée, on va atteindre un état d'équilibre dans lequel la combinaison du frottement général de la terre et du frottement accru dû à la pression de dilatation de la courbure contre la terre voisine de l'extérieur de la courbure va juste correspondre à l'ancrage réalisé par le seul frottement de la terre contre un long tronçon linéaire de conduite. Les calculs aussi bien que les expérimentations pratiques,ont montré que cet état d'équilibre va concerner non seulement une dilatation de la conduite, mais aussi une contraction de celle-ci, car les conditions sont en principe les mêmes lorsque la terre est considérée à l'exté- rieur d'une courbure dans un système en dilatation et à l'intérieur de la courbure dans un système en contraction. Donc, si un réseau de coriduiits est considéré à un état d'an- crage par frottement dans la terre, état dans lequel il est chauffé jusqu'à une températue intermédiaire entre une basse température de montage et une température élevée deservice, un tronçon incurvé de conduite présentant une courbure convenable va donner naissance à cet équilibre en ce qui concerne aussi bien la dilatation que la contraction, c'est- à-dire que même le long de la courbure de la conduite, cette conduite va se comporter exactement comme un tronçon linéaire que le frottement de la terre empêche déjà de subir des déplacements, dus à des raisons thermiques,: à l'intérieur d'un certain intervalle pratique de tempéra- ture: à l'intérieur de cet intervalle, les variations de températures de la conduite vont seulement provoquer des variations correspondantes de la contrainte en compres- sion ou en traction de la conduite. En se fondant sur ces considérations, il a été trouvé, aussi bien par des calculs que par des expérimenta- tions, que le rayon minimal de courbure suffisant pour donner ledit état d'équilibre est, pour une conduite de dimension donnée, étonnemmet petit de sorte qu'en pratique il est très intéressant d'utiliser un tronçon de conduite de courbure correspondante pour remplacer avantageusement une courbure classique de conduite concentrée sur un coude courant Dans les zones urbaines, les conduites de chauffage urbain sont normalement destinées à être posées sous les rues, chaussées et trottoirs, ce qui entraînera naturellement à créer de nombreuses courbures marquées des canalisations. Jusqu'à présent, cela à été considéré comme signifiant l'utilisation de coudes ou courbures classiques assez aigus auxquels s'associent des problèmes de compensation. Au contraire, la présente invention propose de reconnaître que l'on peut établir un changement prononcé de direction en utilisant une courbure "à autocompensation" dont, bien entendu, le rayon de courbure est nettement supérieur à celui d'une courbure classique mais n'est pas assez grand pour empêcher de monter une courbure à autocompensation par exemple sous de grandes-zones d'intersection de rues. Le rayon minimal de courbure nécessaire, selon l'invention, pour une courbure à autocompensation va dépendre du diamètre de la conduite, puisqu'un petit diamètre de conduite va entraîner l'adoption d'un rayon de courbure inférieur à celui correspondant à une conduite de plus grand diamètre Cela résulte du fait que la surface de section de matière est habituellement plus grande, dans une conduite en fer ou en acier, par rapport au diamètre de cette con- duite dans le cas d'une conduite à grand diamètrede sorte que, pour une variation donnée de températures et dans le cas d'une augmentation du diamètre de la conduite, la force due à la dilatation va augmenter considérablement plus que ce qui correspond à l'augmentation du diamètre C'est ce diamètre qui détermine les forces transférées à la terre et, donc, si l'on augmente le diamètre d'une conduite, il sera nécessaire de diminuer le rayon de courbure du coude ou de la zone cintrée afin de rendre la force de dilatation s'exerçant contre chaque unité de surface de la terre, qui exerce une contre-pression, juste assez faible pour permettre à la terre d'absorber l'effet de la pression sans céder En pratique, le rayon de courbure d'une conduite de dimension moyenne doit être de l'ordre de 20 à 30 m quand la conduite est posée dans de la terre ordinaire alors que, pour une conduite mince de 26,9 x 2,3/90 mm, le rayon de courbure doit être seulement d'environ 5 m;et, pour une conduite épaisse de 1 016 x 12,5/1 200 mm, le rayon minimal de courbure doit être d'environ 85 m. Pour déterminer le rayon de la courbure à auto- compensation dans le cas des conduites calorifugées, on doit considérer que la force due à la dilatation est pro- duite par la conduite de transmission elle-même, cependant que le diamètre de conduite décisif pour le transfert de pression entre la conduite et la terre est le diamètre extérieur d'un tube de gainage protecteur extérieur, qui est normalement disposé de manière à entourer la matière de calorifugeage entourant la conduite de transmission interne De préférence, la matière de calorifugeage est une mousse rigide, qui convient bien pour transmettre * la pression latérale entre le tube de gainage extérieur protecteur et la conduite interne plus mince On doit considérer en outre que les conduites se présentent souvent sous forme de conduites doubles disposées côte à côte et constituant une conduite d'alimentation et une conduite de retour, respectivement Dans le cas d'une courbure af- fectant un tel groupe de deux conduites, la force de dilata- tion ou de contraction qui s'exerce sera produite par les deux conduitesc'est-à-dire que la force sera supérieure à celle s'exerçant dans le cas d'une seule conduite, Alors que la pression de la terre ne peut s'exercer que sur le diamètre externe de l'une des conduites, sauf si ces conduites sont disposées l'une sur l'autre Dans les exemples ci- dessus, on a tenu compte de ces facteurs, et il est possible de présenter des formules de calcul tout à fait simples pour déterminer, pour diverses dimensions de con- duites, le rayon minimal de courbure nécessaire Pour des conduites usuelles en acier, équipées d'une isolation rigide qui les entoure, le rayon de courbure, R, sera donné au moins approximativement par l'expression suivante, quand la canalisation est en fait une canalisation double formée de deux canalisations simples disposées côte à côte S.130 R = p D o S = surface,en centimètres carrés, d'acier des conduites simples internes; p = valeur prévue de la pression maximale exercée par la terre contre la conduite, en kilogrammes force /centimètre carré l 1 kf/cm 2 correspondant à 98,06 k Pal, et D = diamètre extérieur du tube protecteur externe de gainage ou d'enveloppe des conduites, en millimètres. La pression maximale p de la terre indique la contre-pression que la terre peut produire contre une surface perpendiculaire à la direction de la dilatation, sans que la terre ne cède Il convient de déterminer la valeur de p en supposant que la conduite aura normalement une section cylindrique, de type cylindre droit, ne présen- tant à la terre aucune surface plane sur laquelle celle-ci pourrait exercer une pression, et l'on a trouvé réaliste de considérer que la pression exercée par la terre contre le tube externe est égale à une pression exercée contre une surface plane orthogonale à la direction de la pression et dont la hauteur représente les deux tiers du diamètre du tube extérieur. Dans de la terre ordinaire, la pression maximale ou tolérable de la terre est normalement d'environ 1,5 kilo- gramme force/centimètre carré (environ 147 k Pa), ce qui va correspondre à une pression d'environ 1 kilogramme force/ centimètre carré (environ 98,06 k Pa) contre le plan diamétral d'un tube rond Dans le cas d'une conduite double, c'est- à-dire deux conduites parallèles disposées côte à côte, il convient de tenir compte de la possibilité de la dilatation accrue qui y correspond en utilisant, dans l'expression ci-dessus, la moitié de la valeur de la pression maximale de la terre sur le plan diamétral du tube extérieur Dans de la terre ordinaire, on peut considérer normalement que la valeur de p est d'environ 0,5 kilogramme force/centi- mètre carré (environ 49 k Pa) de sorte que l'expression donnant le rayon de courbure R sera R = D 260 D Un rayon de courbure typique sera, pour une conduite de dimension moyenne, d'environ 20 à 30 m, et une telle courbure est facile à installer, par exemple dans une intersection de rues. Le tube externe de gainage ou d'enveloppe consiste normalement en une matière plastique,et la mousse d'isolation interne est une mousse rigide, qui colle à la fois à la conduite interne et au tube d'enveloppe de manière à pouvoir transmettre des forces longitudinales entre la conduite et le tube Dans certains réseaux ou circuits de conduites, le tube de gainage ou d'enveloppe est en fer ou en acier. Le tube d'enveloppe contribue alors à l'ancrage en longueur de la totalité de la conduite, ce qui correspond à un plus grand frottement exercé par la terreet c'est pourquoi on peut poser de telles conduites présentant un rayon de courbure inférieur à celui correspondant à des conduites comportant un tube d'enveloppeou de gainage en matière plastique. En théorie, la courbe devrait consister en un tronçon de conduite à courbure régulière présentant le rayon de courbure approprié, et il est techniquement possible de fabriquer de longues conduites ayant une telle configuration cintrée, notamment dans le cas des conduites et tubes relativement minces Lors de l*a production d'élé- ments préfabriqués de conduites isolées dont la conduite ou tube interne est en acier ayant jusqu'à environ 10 pouces ( 25,4 cm), il sera possible de cintrer à la courbure voulue les tubes ou conduites linéaires déjà fabriqués et l'on peut ensuite découper les éléments incurvés de conduite pour les adapter à divers angles voulus de courbure, princi- palement 900 et 450 Un grand tronçon de conduite courbée peut s'avérer difficile à manipuler et à expédier et l'on peut donc choisir de travailler avec des tronçons cintrés relativement courts, qui sont assemblés sur place Il est en tout cas avantageux de connaître à l'avance le rayon de courbure correspondant aux dimensions des conduites simples, quand les conduites doivent être posées dans de la terre ordinaire. En pratique, cependant, il n'est pas absolument nécessaire que les courbes présentent une courbure absolu- ment régulière quand les températures maximales, en service, se situent dans l'intervalle usuel pour de l'eau de chauf- fage urbain, c'est-à-dire entre environ 80 et 120 'C, car on peut tolérer de maintenir à de faibles valeurs les contraintes de courbure même dans le cas o la zone cintrée s'écarte un peu de sa forme'idéale Cela est particulièrement important,car l'on peut alors produire des zones de courbure, à partir d'un tronçon de conduite linéaire, de manière à obtenir une configuration "en lignes brisées" L'adaptation d'un grand nombre de raccords entre de courts tronçons de conduite ne présente pas trop d'attrait et, donc, la possibilité de produire de manière simple, par cintrage - de tronçons ou morceaux de conduite de longueur raisonnable, des parties courbées présentant de faibles rayons de courbure et ayant ainsi de courtes longueurs constitue une coïncidence heureuse puisque les tubes et conduites ont une petite dimension, alors que des conduites épaisses, que l'on ne peut cintrer, doivent être posées en présentant un grand rayon de courbure et, de façon correspondante, une grande longueur, de sorte qu'on peut les produire sur place èn reliant des éléments linéaires de conduite d'une longueur considérable Déjà pour un tube ou une conduite de dimension moyenne, comme par exemple 273 x 5/400 mm, on peut produire la courbure à partir de tronçons ou segments linéaires de conduite d'une longueur d'environ 6 m, ces tronçons étant reliés en présentant une variation de direction d'environ par raccord (maximum: 150) Pour des conduites encore plus épaisses, les longueurs des segments ou tronçons peuvent être encore plus grandes et, bientôt, la longueur des tronçons va se rapprocher de la longueur des éléments courants de conduite que l'on utilise en des longueurs commerciales maximales pour le montage des tronçons linéaires de pipeline, ou même atteindre une telle longueur Donc, pour des conduites épaisses ou de grandes dimensions, la réalisation des courbures à autocompensation sera tout simplement une question de raccords convenables entre des éléments classiques de conduite que l'on dispose le long de la zone de courbure. Dans les circuits ou réseaux très étendus de chauf- fage urbain, l'invention permet d'économiser un grand nombre d'éléments à courbure spéciale, de compensateurs axiaux et d'ancrages dans la terre. Sur le dessin d'accompagnement la figure 1 est une vue schématique d'un raccor- dement de rues, avec un circuit ou réseau de conduites selon l'invention, et la figure 2 est une coupe d'une conduite double. Sur la figure 1 on montre, en traits pleins, une conduite 2 de chauffage urbain à son passage à un coin de. rue en empruntant une courbure à autostabilisation selon l'invention On voit également, en traits interrompus, une autre conduite correspondante 4,qui passe de façon clas- sique dans la même zone en utilisant un élément spécial 6 de courbure ou coude et des éléments supplémentaires spéciaux (non représentés), comme des compensateurs axiaux. Deux éléments 8 de conduite disposés dans la courbure douce de la conduite 2 sont d'un type incurve préfabriqué présentant un rayon R 1 de courbure, cependant qu'on voit trois autres éléments 10 de conduite constitués par des éléments linéaires préfabriqués reliés avec un petit changement de direction en formant une courbe pré- sentant le rayon R 2 marqué de courbure Bien entendu, une courbe donnée ne va normalement comprendre qu'un seul des types d'éléments 8 et 10. Une flèche E représente une force de dilatation ou expansion, cependant qu'une fèche F représente le frot- tement de la terre et une flèche P représente la contre- pression exercée par la terre pour s'opposer à une dilatation ou expansion. Normalement, une conduite de transmission de chaleur est constituée par une conduite double, comme représenté sur la figure 2, les conduites simples consistant en un tube conducteur interne ou conduite interne 12 en fer ou acier, un tube protecteur externe de gainage ou d'enveloppe 14 en matière plastique et en une matière intermédiaire isolante 16 On voit également sur la figure 2 l'indication du diamètre D du tube externe et des flèches P représentant la pression ou contre-pression exercée par la terre. Il convient de mentionner que l'expression générale donnant le rayon de courbure est R = S Z dans laquelle: S, P et D sont comme ci-dessus, cependant que Z = E a At, formule dans laquelle: Z est le coefficient d'élasticité du tube conduc- teur ou conduite, a est son coefficient de dilatation, et At est le maximum prévu de variation de la température de la conduite. Dans les exemples ci-dessus, on a fixé ât à -50 'C par rapport à une température moyenne, ce qui corres- pond à une variation totale d'environ 1000 C Il a été pos- sible ainsi d'installer et fixer dans la terre, en tenant compte du frottement exercé par cette terre, un réseau& de conduites,en se fondant en partie sur la technique dé- crite dans le brevet US-A-3 932 922. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au réseau souterrain de conduite calorifugée présentant une courbe, et au procédé d'installation de ce réseau. REVENDICATIONS 1 Réseau souterrain de conduites calorifugées, comprenant au moins deux tronçons de conduite linéaires reliés par un tronçon courbe formant un certain angle, par exemple sous une intersection de rues, réseau car Icterisé en ce que le rayon de courbure du tronçon courbe est assez petit pour que le tronçon courbe subisse un effet d'autostabilisation ou autocompensation, exercé dans et par la terre et s'opposant aux forces de dilatation et de contraction résultant des variations de températures internes se produisant dans la conduite. 2 Procédé pour installer un réseau souterrain de conduites calorifugées, selon lequel on place et monte dans la terre une conduite simple ou double de manière qu'elle présente une variation prononcée de direction entre deux tronçons de conduite linéaires,procédé caracté- risé en ce qu'on réalise le changement de direction en montant un ou plusieurs éléments incurvés de conduite ou un certain nombres d'éléments linéaires de conduite, qui sont reliés pour former une courbe à courbure approxima- tivement régulière, le rayon de courbure de cette courbe étant choisi de façon à être égal, ou un peu inférieur, à la courbure maximale pour laquelle la courbe présente un effet d'autostabilisation ou compensation exercé dans et, par la terre et s'opposant aux forces de dilatation et de contraction résultant des variations internes de tempéra- tures dans la conduite. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour une conduite en acier comportant un tube de matière plastique de gainage ou d'enveloppe, on installe une courbe présentant un rayon de courbure donné approxima- tivement par l'expression R = 130 D dans laquelle R représente le rayon de courbure, en mètres S est la surface de section en acier de la conduite interne ou tube conducteur, en centimètres carrés; et D est le diamètre externe, en millimètres, du tube de gainage ou d'enveloppe. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour une conduite double dont les conduites sont disposées côte à côte, on donne à la courbe un rayon de courbure égal au double du rayon de courbure déterminé selon la revendication 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on installe la courbe, pour des dimensions de conduite allant jusqu'à environ 25,4 cm, en montant et raccordant ou reliant les éléments préfabriqués de conduite incurvée. 6 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on installe la courbe en reliant des éléments linéaires de conduite ayant une longueur d'au moins 5 m et présentant à chaque jonction de raccordement une variation de direction de 150 au maximum.