Brevet FR2761386A1 — publié le 19981002

La présente invention a pour objet de prévenir la rupture de canalisations en cas de gel du liquide intérieur. Le gel d'un liquide acqueux se traduit par une expansion de 10% en volume.Or,la limite élastique des métaux correspond à une dilatation inférieure à le gel de l'eau dans une canalisation dépasse donc 10 fois la limite élastique du métal,celui-ci étant contraint de se dilater de 10%. Les matériaux comme la fonte ou le béton présentent des limites élastiques encore plus faibles. Les matériaux synthétiques ont des propriétés variées qui évoluent souvent avec le vieillissement. Mêmes remarques pour les appareillages montés sur les tuyaux: vannes,raccord,... Le danger de gel est surtout important lorsqu'il n'y a pas de débit dans la canalisation.Le volume de liquide emprisonné ,égal à celui de la canalisation,se dilate globalement ou par portion de canalisation entre bouchons de gel. Actuellement,les moyens utilisés sont de 2 types: - chauffage des canalisations par des appareillages électriques enrobant la canalisation. - introduction de matériaux compressibles à l'intérieur de la canalisation ou permettant l'évacuation de l'excédent de liquide pendant la phase d'établissement du gel. - utilisation de moyens d'expansion transversale ou longitudinale : soupape,vase d'expansion, raccord d'expansion... L'inconvénient des systèmes de chauffage est qu'il ne sont pas sûrs à 100% en cas de panne électrique ou de détérioration des conducteurs avec le temps.De plus,leur utilisation n'est possible que si une source de courant électrique est possible. Les solutions avec évacuation d'un excédent de liquide par un tuyau intérieur ne permettent pas de protéger de grandes longueurs car le transfert longitudinal de liquide n'est plus possible s'il est emprisonné entre 2 points qui ont gelés en premier dans le temps.De plus,la dilatation globale n'est compensée que par la compression de la paroi du tuyau, ce qui est insuffisant. L'utilisation de matériaux compressibles utilisés à l'intérieur de la canalisation présente l'inconvénient d'avoir une tenue dans le temps douteuse par suite de la dégradation progressive des matériaux organiques suite au temps et aux compressions successives. L'utilisation de moyens d'expansion est couteuse et ces derniers doivent être répétés fréquemment tout au long de la canalisation.Cet inconvénient est encore plus important pour les moyens d'expansion longitudinale. La présente invention a pour but de définir la combinaison de moyens qui garantissent une sécurité proche de l'absolu, et ceci quels que soient les scénarios: pannes,accidents... Afin de pallier aux différents scénarios,l'invention consiste a combiner des moyens différents dont les effets s'ajoutent ou prennent le relai les uns les autres en cas de défaillance par panne ou détérioration dans le temps. Plusieurs combinaisons sont possibles selon les cas d'utilisation:source électrique ou non, installations nouvelles ou existantes,types de canalisations... Les combinaisons,selon l'invention,utilisent les moyens ou procédés suivants,dont certains,dans certaines variantes, sont déjà connus: 1- section géométrique non circulaire de la canalisation 2- utilisation de matériaux compressibles à l'intérieur 3- chauffage par conducteurs intérieurs à la canalisation MOYEN 1: la forme circulaire a l'inconvénient de présenter la section maximum pour une circonférence donnée.La dilatation du volume de liquide emprisonné se traduit par une contrainte uniforme en traction tangentielle maximum pour le matériau de la canalisation et celà au delà de sa limite élastique.Toute déformation de forme est impossible. Toute autre section non circulaire pourra se déformer en se rapprochant de la section circulaire.Pendant cette déformation,il y aura des contraintes de flexion inférieures aux contraintes de traction mentionnées ci-dessus. Voir figure 1. Le même raisonnement est valable pour une section extérieure circulaire et une section intérieure non circulaire ( par épaisseur variable ). Une section elliptique,d'applatissement donnant une section plus faible de plus de 10%,est le moyen présentant une tenue dans le temps très bonne mais n'est pas suffisante pour des métaux peu élastiques comme la fonte ou le béton. De plus,pour protéger les appareils (vannes,raccords...),il faut un transfert longitudinal de liquide pendant la phase de prise du gel entre les parties non déformables et les parties déformables. Ce moyen n'empêche pas le gel de la canalisation et le transfert longitudinal est réduit. MOYEN 2: matériaux compressibles à l'intérieur: Ce moyen peut être réalisé par l'introduction d'un boudin de matériaux compressibles ou par le dépot sur la parois de la canalisation d'un matériau compressible (plusieurs formes géométriques sont possibles).Voir figures 2 et 3. Les appareils pourront être protégés suivant le même principe.La forme géométrique utilisée pouvant constituer une pastille encastrée ou toute autre forme géométrique. Le volume du matériau compressible devant absorber une compression de 10% du liquide devra avoir une section de 15% environ suivant son taux possible de compression,ce qui donne un diamètre de 40% de celui de la canalisation si sa section est cylindrique. Ce moyen n'empêche pas le gel de la canalisation et le transfert longitudinal de liquide est limité. MOYEN 3: chauffage par conducteurs intérieurs L'introduction de 2 conducteurs intérieurs,présentant une certaine résistance électrique,permet de chauffer le liquide ,soit pour l'empêcher de geler,soit pour permettre un transfert longitudinal pendant la phase de dilatation au début du processus de gel.(un des 2 conducteurs peut être constitué par le tuyau lui-même s'il est métallique. Ceci facilite le "passage" électrique des obstacles: vannes.) En cas de températures très basses, la puissance et les tensions nécessaires peuvent être difficiles à utiliser si l'on veut empêcher le gel en permanence.Dans tous les cas, une tension modérée (12 volt par exemple) permettra d'assurer le transfert longitudinal de liquide pendant la phase de prise du gel. Ce moyen seul n'assure donc pas une protection absolue de façon aisée. Les moyens pour raccorder les câbles avec l'extérieur,à travers la parois de la canalisation, sont connus. COMBINAISON 2 + 3: les conducteurs électriques sont noyés dans un matériau compressible: Une des combinaisons de l'invention est d'utiliser des câbles électriques dont le matériau d'enrobage est compose de matériaux à base de caoutchouc ou de mousses plastiques souples dont les compositions sont connues Une forme possible est l'utilisation de câbles coaxiaux ( voir câble d'antenne de télévision) avec une tresse cylindrique et un câble intérieur.L'avantage de la tresse cylindrique est de maintenir mécaniquement le matériau compressible et d'assurer à ce dernier une meilleure tenue dans le temps.Le maintien d'une tension électrique lui permet de plus de rester dans une plage de température dans laquelle il conserve des caractéristiques d'élasticité optimum (d'où une longévité plus importante) et de maintenir pendant un certain temps un transfert longitudinal du liquide interne.Voir figure 4. La tresse superficielle présente également l'avantage d'une bonne diffusion de la chaleur.La résistivité permettant la diffusion de chaleur devra être concentrée sur ce conducteur. La figure 5 montre une variante pour la disposition des conducteurs.Si le matériau de la canalisation n'est pas conducteur,un second câble pourrant être noyé dans le matériau compressible. En cas de températures très basses,il n'est plus indispensable d'assurer un chauffage (donc une intensité) important, difficile à mettre en oeuvre pour garantir 100% de sécurité et d'isolation électrique en cas de hauts voltages.La compression de matériau prend le relai pour la protection contre la sur-pression. Pour assurer la boucle de courant,les 2 conducteurs seront réunis en bout de câble sans nécessiter un appareil extérieur de connection ou connectés à 2 bornes d'une vanne afin d'assurer son chauffage et/ou le relais pour la suite de la canalisation. En option,un détecteur de pression pourra adapter la puissance électrique en fonction de la pression dans la canalisation,cette dernière augmentant en proportion de la quantité de gel partiel déjà formé à l'intérieur. En variante,l'invention consiste à utiliser un matériau compressible contenant des particules conductrices et dont la résistance électrique est inversement proportionnelle à la compression,ce qui permet d'adapter automatiquement l'intensité du courant en fonction du gel et ceci dans les emplacements concernés avec une tension réduite. Cette propriété permet,en option, la détection du gel par mesure de la variation de la résistance électrique. En l'absence de gel,l'intensité du courant sera nulle ou voisine de zéro. La pose d'un câble compressible est relativement facile, y compris pour les installations existantes. La sécurité est assurée même en cas de coupure du courant électrique ,contrairement aux systèmes de chauffage seuls. GAMMES DE CABLES: pour une canalisation de diamètre:D, le diamètre du câble compressible devra être : d=0,4 D environ pour une compression à 100%,ce qui ne sera pas utile dans tous les cas,en particulier si le matériau de la canalisation possède un coefficient d'élasticité élevé. Pour assurer une puissance de chauffe constante par unité de section du câble (pour une tension et une résistivité données),le diamètre équivalent des conducteurs : dc devra être fixé par la formule suivante : dc*dc=K*D*L*L , L étant la longueur à protéger.Les gammes de câbles: diamètres extérieurs et sections conductrices, seront donc établies en fonction des 3 paramètres: K: degré de protection recherchée, D:diamètre de la canalisation, L:longueur à protéger.La gamme pourra être réduite par la possibilité d'utiliser plusieurs câbles chauffant compressibles en parallèle .La lenteur du processus de gel et la possibilité de transfert longitudinal de liquide permettent une grande approximation dans le choix des câbles parmi une gamme réduite,en particulier pour les puissances de chauffe.La standardisation pourra être également facilitée par l'utilisation de plusieurs tensions électriques. COMBINAISON 1+2: section elliptique et matériau compressible: Cette combinaison,objet de l'invention, est utilisable en l'absence d'énergie électrique et dans le cas de matériaux peu élastiques (fonte,béton. . . ).La combinaison originale des 2 moyens permet d'optimiser la protection de la canalisation avec une meilleure sécurité à long terme. Voir figure 6. COMBINAISON 1+2+3: cette combinaison,objet de l'invention, section elliptique et câble compressible chauffant,présente l'avantage de résoudre le scénario avec panne ou défaillance du système électrique avec une bonne sécurité à long terme. I1 permet également de répartir la protection entre les 3 moyens : diamètre réduit du câble compressible,puissance électrique réduite Toutes les canalisations de transport de liquides aqueux sont concernées par les moyens ou combinaisons ci-dessus lorsqu'elles sont soumises à des contraintes dues au gel. REVENDICATIONS 1- dispositif empêchant la rupture d'une canalisation en cas de gel, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison d'éléments électriques chauffants et d'éléments réalisés en materiaux compressibles et élastiques, le dit dispositif etant introduit dans la canalisation à protéger. 2- dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments chauffants sont constitués par deux conducteurs électriques. 3- dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs sont concentriques avec les matériaux compressibles. 4- dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les éléments chauffants sont constitues par un câble coaxial dont le conducteur interne est entouré d'une tresse métallique conductrice cylindrique enserrant les matériaux compressibles. 5- dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs chauffants sont placés à coté des matériaux compressibles. 6- dispositif selon les revendications 1 et 5,caractérise en ce que sa forme correspond à la forme interne de la canalisation avec adhérence contre celle-ci. 7- dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des 2 conducteurs est constitué par la canalisation elle-même,celle-ci étant metallique. 8- dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau compressible contient des particules ou des fibres conductrices. 9- dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau plastique enserre du gaz compressible. 10- dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de la canalisation est elliptique.