Brevet FR2599810A1 — publié le 19871211

"Procédé pour réduire les contraintes dues à la dilatation thermique de tuyauterie, et appareil correspondant* L'invention se rapporte à un procédé destiné à réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service et bloqué à ses extrémités, où l'on ménage dans le tronçon une coupure d'une longueur correspondant à la dilatation du tronçon libre à une température intermédiaire entre la température de service et l'ambiante définissant ainsi deux demi-tronçons terminés, de part et d'autre de la coupure, par des chanfreins, on force ces chanfreins à se rapprocher à distance de soudage et on les réunit par un cordon de soudure. L'invention se rapporte également à un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. C'est un fait bien connu que des tuyauteries pour le transport de fluides chauds ont tendance à se dilater en service. Comme ordre de grandeur, une tuyauterie en acier posée à iO'C et transportant de l'eau chaude à 110 cl accuserait, libre, une dilatation linéaire de 1,267 x soit 0,1267 m pour un tronçon de 100 m. Lorsque les extrémités d'un tel tronçon sont bloquées, par exemple par la présence d'ancrages, de coudes ou de piquages de dérivation, en l'absence de supports coulissants intermédiaires le tronçon se courberait, avec une flèche approximativement égale au double de son allongement linéaire. Si, comme il est de pratique courante, le tronçon de tuyauterie est maintenu en place par des supports coulissants intermédiaires, il subira des contraintes en compression longitudinale égale au produit du module de Young par l'allongement relatif de dilatation. Ces contraintes en compression se traduiront par des efforts aux points de blocage du tronçon, produit des contraintes par la surface de la section de paroi de la tuyauterie. Dès que les dimensions des sections de tuyauteries deviennent notables, les efforts aux points de blocage deviennent excessifs, alors même que les contraintes internes des tuyauteries restent acceptables, comme c'est le cas pour des tuyauteries d'eau chaude en acier à 110 C. Aussi, classiquement, on insère dans les tuyauteries pour fluides chauds des appareils de compensation de dilatation, qui peuvent avoir la forme de lyres, d'esses, etc..., de soufflets ou de joints glissants. Ces appareils présentent divers inconvénients tels que coût excessif, fragilité, encombrement, nécessité de surveillance. En raison de ces inconvénients, particulièrement sensibles sur des réseaux de grande longueur, il est maintenant de pratique courante, lorsque les contraintes dues au blocage de tuyauteries restent éloignées des limites élastiques, de bloquer les tuyauteries en calculant les appuis ou supports de tuyauterie pour qu'ils puissent résister aux efforts résultant du blocage de la dilatation. Afin toutefois de réduire les contraintes de compression à la température de service, le plus fréquemment on soumet ~ la tuyauterie, lors de la pose, à une précontrainte en traction qui est de l'ordre de grandeur, au signe près, de la moitié de la contrainte en compression qu'elle subirait à la température de service si elle était posée sans précontrainte. On comprend qu'ainsi on réduit de moitié, sensiblement, les contraintes en compression à la température de service, et les efforts résultants aux points de blocage des tronçons. Ces points de blocage seront soumis à des efforts de même ordre de grandeur et de signe opposés, à la température ambiante et à la température de service. Généralement, pour obtenir une précontrainte en traction à la pose de la tuyauterie, on prévoit, dans un tronçon bloqué à ses extrémités, une coupure, définissant ainsi deux demi-tronçons étendus respectivement de la coupure à chacune des extrémités du tronçon, puis on force en rapprochement les bords de la coupure en allongeant les demi-tronçons, et on supprime la coupure. L'allongement peut être obtenu par traction mécanique, à l'aide de palans ou vérins fixés sur les demi-tronçons près des bords de la coupure. Cet allongement peut également être obtenu par chauffage de la canalisation, notamment par un gaz chaud ou encore par des jaquettes électriques convenablement disposées sur la canalisation, à une température intermédiaire entre l'ambiante et la température de service. On conçoit que les appareils de traction mécanique doivent être puissants, les tractions mécaniques pouvant dépasser quelques centaines de kN (soit quelques dizaines de tonnes-force) ; le chauffage des canalisations sur des distances qui atteignent ou dépassent la centaine de mètres est une opération longue et difficile à contrôler car l'exécution de la jonction nécessite un équilibre thermique pour que cette jonction ne soit pas soumise à des efforts notables lors de son exécution. La jonction des demi-tronçons peut aussi s'exécuter à l'aide de brides disposées aux extrémités des demi-tronçons de part et d'autre de la coupure, ou, plus généralement, par exécution d'un cordon de soudure unissant les tranches terminales des demi-tronçons, préalablement formées en chanfreins (cas général des tuyauteries enfouies dans le sol sous gaine de protection). L'invention a pour objet un procédé pour réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques de tronçons de tuyauterie par mise en précontrainte de traction de la tuyauterie à température ambiante, où la mise à distance des chanfreins de demi-tronçons est facile à régler et relativement rapide. A cet effet, l'invention propose un procédé pour réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service supérieure à l'ambiante et bloqué à ses extrémités, où l'on ménage dans le tronçon une coupure d'une longueur correspondant à la dilatation du tronçon libre à une température intermédiaire entre la température de service et l'ambiante, définissant ainsi deux demi-tronçons terminés, de part et d'autre de la coupure, par des chanfreins, on force ces chanfreins à se rapprocher à distance de soudage et on les réunit par un cordon de soudure, caractérisé en ce que l'on prépare un fourreau tubulaire de diamètre extérieur correspondant au diamètre intérieur du tronçon, et de longueur telle qu'après insertion d'une première extrémité dans un premier demi-tronçon, la partie en saillie extérieure soit plus longue, jusqu'à une gorge périphérique ménagée vers la seconde extrémité et apte à loger un joint torique d'étanchéité avec la surface interne de tuyauterie, que ladite coupure, on soude la première extrémité du fourreau à la surface interne du premier demi-tronçon, on insère la seconde extrémité du fourreau, garnie de son joint torique dans le second demi-tronçon, on fait circuler dans le tronçon en continuité un fluide à température sensiblement égale à la température intermédiaire, en sorte que les chanfreins soient à distance de soudage pour exécuter le cordon de Soudure, qui prend dans le fourreau sous-jacent. Comme la mise à distance s'effectue sur une tuyauterie étanche, la circulation d'un fluide chaud, généralement de l'eau, est facile et peut éventuellement intéresser plusieurs tronçons simultanément. La circulation assure une température régulière de l'ensemble du tronçon, d'autant que la capacité calorifique de l'eau est notablement supérieure à celle de la tuyauterie vide. La régularité de température atteinte par la tuyauterie, et la relative facilité de réglage de la température du fluide en circulation permet de prévoir la longueur de dilatation réelle du tronçon de tuyauterie puis d'ajuster et de stabiliser en conséquence la température du fluide nécessaire pour que les chanfreins viennent à distance de soudage. On précise que dans la terminologie utilisée ici, un tronçon de tuyauterie est une longueur de tuyauterie, approximativement droite, limitée par des zones où un déplacement longitudinal est contrarié, que ce soit par la présence d'un coude ou d'un piquage, où un déplacement longitudinal du tronçon se traduirait par un déplacement transversal d'un tronçon adjacent, ou pour une autre cause. L'expression demi-tronçon se réfère aux parties du tronçon qui sont situées de part et d'autre de la coupure, sans impliquer une égalité de longueur, même approximative, de ces demi-tronçons. De préférence on aménage deux gorges pour joints toriques vers la seconde extrémité du fourreau, afin d'assurer plus de sécurité de guidage et d'étanchéité entre le fourreau et le second demi-tronçon. De préférence également on procède, avant d'insérer la seconde extrémité du fourreau dans le second demi-tronçon, à un alésage sommaire de la surface interne de ce demi-tronçon, sur une distance au moins égale à la longueur du fourreau en saillie hors du premier tronçon, afin de favoriser l'étanchéité avec les joints toriques. Un tel usinage sommaire, tendant à éliminer les irrégularités excessives de surface, est connu en terme de métier sous le nom de blanchiment, car il élimine les surfaces oxydées foncées et met le métal à vif. En disposition préférée la température intermédiaire est sensiblement égale à la moyenne des températures ambiante et de service. Ainsi les contraintes et efforts en compression à la température de service sont égaux et de signe contraire, en première approximation, aux contraintes et efforts en traction à la température ambiante. Sous un autre aspect, l'invention propose un appareil destiné à réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service supérieure à l'ambiante et bloqué à ses extrémités, du genre qui engendre à température ambiante une précontrainte en extension du même ordre de grandeur, au signe près, que la moitié de la contrainte en compression longitudinale prévisible sans cela à la température de service, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un fourreau tubulaire de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre interne du tronçon, inséré dans ce tronçon en pont sur une coupure de ce tronçon qui définit deux demi-tronçons, soudé par une première extrémité à la surface interne d'un premier demi-tronçon, et muni vers sa seconde extrémité d'au moins un joint torique logé dans une gorge périphérique usinée dans le fourreau, et formant étanchéité en portant sur la surface interne du second demi-tronçon, et, d'autre part, un cordon de soudure périphérique garnissant la coupure pour réunir les tranches terminales des deux demi-tronçons et le fourreau sous-jacent. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore mieux de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention ; les figures 2A à 2C représentent les étapes principales du procédé suivant l'invention. Selon le mode de réalisation choisi et représenté figure 1, l'appareil 10 dans son ensemble comporte, pour réunir en un tronçon de tuyauterie deux demi-tronçons 1 et 2, un- fourreau 3 cylindrique de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre interne des demi-tronçons 1 et 2. Ce fourreau 3 est inséré, par sa première extrémité 31, dans le demi-tronçon 1, et soudé, par cette extrémité 31, à la surface interne lb de ce premier demi-tronçon, le soudage créant le cordon de soudure 4. Vers la seconde extrémité 32 du fourreau 3 sont ménagées des gorges périphériques 5 et 6, où se logent des joints toriques Sa, 6a, qui portent sur la surface interne 2b du second demi-tronçon 2. Cette surface 2b interne a été sommairement alésée, blanchie en terme de métier, sur une longueur qui va jusqu l'épaulement 8, supérieure à la longueur dont le fourreau 3 pénètre dans le second demi-tronçon 2. Les premier et second demi-tronçons 1 et 2, dont les tranches terminales ont été formées en chanfreins la, 2a, sont réunis par un cordon de soudure 7, qui prend en 7a dans le fourreau 3 sous-jacènt. L'appareil 10 a été mis en place, dans l'exemple décrit, pour réduire les contraintes en compression longitudinale d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service d'environ 110-C, dans un réseau de distribution de chauffage urbain. On appelle ici tronçon de tuyauterie une longueur approximativement rectiligne de cette tuyauterie, bloquée à ses deux extrémités éloignées, par exemple en raison de la présence d'un coude ou d'une dérivation, ou en raison de l'aboutissement du tronçon sur un appareil. La réduction des contraintes de compression de la tuyauterie à la température de service de 110-C a été obtenue par l'introduction d'une précontrainte en extension lors de la pose de la tuyauterie à température ambiante, cette extension provoquant un allongement élastique de la tuyauterie, sensiblement moitié de l'allongement que subirait le tronçon de tuyauterie s'il était libre et porté à la température de service. Cet allongement élastique est voisin, mais inférieur à la distance longitudinale qui sépare le chanfrein 2a de la gorge 5. On remarquera que l'étanchéité de continuité entre les deux demi-tronçons 1 et 2 est obtenue de deux façons différentes : d'abord par le cordon de soudure 4 entre le demi-tronçon 1 et le fourreau 3 et les joints toriques 5a et 6a dans les gorges 5 et 6, et portant sur la surface interne 2k du second demi-tronçon ; ensuite par le cordon de soudure 7. Cette surabondance de moyens n'est qu'apparente car le second moyen d'étanchéité n'existe que grâce à la présence du premier. On va maintenant décrire, en référence aux figures 2A, 2B et 2C le procédé de montage de l'appareil 10. Dans un premier temps (figure 2A), on a ménagé une coupure de la tuyauterie entre les tronçons 1 et 2, dont les tranches terminales sont usinées en chanfreins la et 2a. On a inséré le fourreau 3 par sa première extrémité 31 dans le premier demi-tronçon 1, et on a exécuté le cordon intérieur de soudure 3. Dans un deuxième temps (figure 2B), on a réglé la longueur de coupure 36 entre les tranches chanfreinées 1 et 2a à une longueur qui correspond, à peu de chose près, au demi-allongement de dilatation que subirait. le tronçon de tuyauterie s'il était libre et porté à sa température de service. On insère, lors du réglage de la longueur 36 de coupure, la seconde extrémité 32 du fourreau 3, muni de ses joints toriques 5a, 6ê, dans le second demi-tronçon 2. Ainsi on a déjà établi la continuité entre les demi-tronçons 1 et 2 de tuyauterie, avec une jonction étanche provisoire. Il est dès lors aisé de faire circuler de l'eau chaude vers 60 C dans la tuyauterie, afin de provoquer la dilatation de celle-ci. La coupure se rétrécit (figure 2C) jusqu'à ce que les-chanfreins 1a et 2a se soient rapprochés jusqu'à distance de soudure 37, c'est-à-dire que la longueur de fourreau visible au fond de la gorge formée par les chanfreins la et 2a soit de 2 à 3 mm. On "pointue" alors la jonction à l'arc, en exécutant avec une électrode convenable quelques points localisés de soudure au fond de la gorge fermée par les chanfreins 1g et 2a, pour solidariser les deux demi-tronçons 1 et 2 et le fourreau 3 sous-jacent, sans modifier notablement la température de l'ensemble. Puis on exécute le cordon de soudure 7, par passes successives, de façon classique. La bonne exécution de la soudure peut être vérifiée par radiographie aux rayons X, de façon classique. On appréciera que la circulation d'eau chaude, en recyclage, permet une grande souplesse de réglage de la température de la tuyauterie à une valeur intermédiaire entre l'ambiante et la température de service, et, corrélativement, de la longueur de la coupure au moment de la préparation du cordon 7. Si la tuyauterie est destinée au transport d'eau chaude, l'opération de réchauffage et de soudage peut avoir lieu après la mise en service, ce qui est particulièrement intéressant. Par ailleurs, à partir des plans du réseau de tuyauterie, on peut localiser chaque tronçon à extrémités bloquées, et prévoir pour chaque tronçon la longueur de coupure convenable. Ainsi, pour un tronçon de 100 m de tuyauterie en acier posée à 10vC et prévue pour une température de service de llO'C, la dilatation libre est de 126,7 mm. La coupure sera prévue de 63,8 mm plus 3 mm de fond de gorge, soit 67 mm pratiquement. On notera qu'une variation de température de 1-C de l'eau de circulation induit une variation de longueur de coupure de 1,3 mm sur ce même tronçon. On appréciera que les facilités d'ajustage sur place de la distance de soudage, jointes au fait qu'il est sans inconvénients majeurs que la longueur du fourreau 3 t en saillie hors du demi-tronçon 1, soit supérieure à la longueur de la coupure 36, permet de préparer à l'avance, par exemple en atelier, des éléments de tuyauterie qui constitueront les extrémités adjacentes des demi-tronçons,l'élément qui terminera le premier demi-tronçon 1 étant muni du fourreau 3 soudé par le cordon 4, tandis que l'élément qui terminera le second demi-tronçon 2 sera blanchi intérieurement et chanfreiné, par exemple au tour. Il est donc concevable qu'un atelier d'usinage de tubes fournisse à un chantier de pose de canalisations des éléments de tuyauterie préparés pour la mise en oeuvre du procédé, de sorte! que le procédé est exécuté, pour une première étape, par l'atelier d'usinage de tubes et pour la deuxième étape, par le chantier de pose de canalisations. Toutefois l'appareil selon l'invention n'est pas modifié si son exécution est effectuée en deux temps séparés ; sa structure, identifiable par radiographie de la tuyauterie, est un témoin de la mise en oeuvre du procédé, même si cette mise en oeuvre n'a pas d'auteur unique. Par ailleurs, la surabondance des moyens d'étanchéité de l'appareil selon l'invention, et l'inutilité en service des joints toriques d'étanchéité glissants ne doivent pas faire oublier que la physionomie technique de l'appareil est définie également par ces dispositions. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service supérieure à l'ambiante et bloqué å ses extrémités, où l'on ménage dans le tronçon une coupure (36) d'une longueur correspondant à la dilatation du tronçon libre à une température intermédiaire entre la température de service et l'ambiante, définissant ainsi deux demi-tronçons (1, 2) terminés, de part et d'autre de la coupure (36), par des chanfreins (1i, 2a), on force ces chanfreins à se rapprocher à distance de soudage (37) et on les réunit par un cordon de soudure (7), caractérisé en ce que l'on prépare un fourreau tubulaire (3) de diamètre extérieur correspondant au diamètre intérieur du tronçon (1,2), et de longueur telle qu'après insertion d'une première extrémité (31) dans un premier demi-tronçon (1), la partie en saillie extérieure soit plus longue, jusqu'à une gorge périphérique (5) ménagée vers la seconde extrémité (32) et apte à loger un joint torique (5a) d'étanchéité avec la surface interne (2b) de tuyauterie, que ladite coupure (36), on soude la première extrémité (31) du fourreau à la surface interne (1b) du premier demi-tronçon (1), on insère la seconde extrémité (32) du fourreau, garnie de son joint torique (5#, 6a) dans le second demi-tronçon (2), on fait circuler dans le tronçon (1, 2) en continuité un fluide à température sensiblement égale à la température intermédiaire, en sorte que les chanfreins (1a, 2a) soient à distance de soudage (37) pour exécuter le cordon de soudure (7), qui prend dans le fourreau (3) sous-jacent. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ménage dans le fourreau (3), vers sa seconde extrémité (32), deux gorges (5, 6) aptes à loger des joints toriques d'étanchéité (5a, 6a). 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant d'insérer la seconde extrémité (32) du fourreau (3) dans le second demi-tronçon (2), on a blanchi la surface interne (2b) de ce dernier par alésage, sur une distance (8) au moins égale à la longueur totale du fourreau (3) en saillie hors du premier tronçon (1). 4. Procédé suivant-une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température intermédiaire est sensiblement égale à la moyenne des températures ambiante et de service. 5. Appareil destiné à réduire les contraintes dues aux dilatations thermiques d'un tronçon de tuyauterie porté à une température de service supérieure à l'ambiante et bloqué à ses extrémités, du genre qui engendre à température ambiante une précontrainte en extension du même ordre de grandeur, au signe près, que la moitié de la contrainte en compression longitudinale prévisible sans cela à la température de service, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un fourreau tubulaire (3) de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre interne du tronçon (1,2), inséré dans ce tronçon en pont sur une coupure (36) de ce tronçon qui définit deux. demi-tronçons (1,2), soudé par une première extrémité (31) à la surface interne (1k) d'un premier demi-tronçon (1), et muni vers sa seconde extrémité (32) d'au moins un joint torique (5a,6a) logé dans une gorge périphérique (5,6) usinée dans le fourreau (3), et formant étanchéité en portant sur la surface interne (2b) du second demi-tronçon (2), et, d'autre part, un cordon de soudure périphérique (7) garnissant la coupure pour réunir les tranches terminales (1a,2a) des deux demi-tronçons (1,2) et le fourreau sous-jacent (3). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que# la seconde extrémité (32) du fourreau est munie de deux joints toriques (5a,6#) logés dans deux gorges (5,6) périphériques. 7. Appareil selon une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la surface interne (2b) du second demi-tronçon est blanchie par alésage. 8. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur d'insertion du fourreau (3) dans le second demi-tronçon (2), comptée jusqu'à la gorge périphérique (5) où se loge le joint torique (5a), est au moins égale à la dilatation linéaire du tronçon de tuyauterie, s'il était libre et porté à une température intermédiaire entre la température ambiante et la température de service. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que, la température de service étant d'environ 110'C, la longueur d'insertion du fourreau dans le second demi-tronçon est d'au moins 67 mm, pour un tronçon en acier de 100 m.