Brevet FR2892796A1 — publié le 20070504

La présente invention concerne le domaine des revêtements internes des conduites de gaz. L'objet de la présente invention est de permettre une réduction de pertes de charge dans le transport du gaz par conduite, notamment afin de limiter les infrastructures de compression, ou de permettre de réduire le diamètre interne des conduites. Ainsi, la présente invention propose l'utilisation du polyamide 11 comme revêtement interne d'une conduite de transport de gaz, pour réduire les pertes de charge. Selon l'invention, le polyamide peut être déposé en poudre dans la conduite avant d'être chauffé. Dans une variante selon l'invention, l'épaisseur du revêtement peut être compris entre 20 et 400 pm. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des essais suivants, nullement limitatifs, illustrés par 20 les figures ci-après annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement le dispositif d'essai, -la figure 2 donne le paramètre de frottement en fonction du nombre de Reynolds pour cinq revêtements différents, - la figure 3a donne facteur de friction en fonction du nombre de 25 Reynolds pour un tube de 1 mètre et pour les revêtements de type 1 à 5. Les petits et les grands symboles correspondent, respectivement, à l'acier et aux revêtements, - la figure 3b donne l'écart du facteur de friction en fonction du nombre de Reynolds par rapport à une conduite en acier lisse de 1 mètre et pour les revêtements de type 1 à 5. On utilise les mêmes symboles que pour la figure 3a, - la figure 4 donne les résultats d'érosion en perte de masse (pm) en fonction de la masse d'érodent (ME) pour cinq revêtements différents. L'appareil d'essai: L'appareil d'essai est appelé par la suite le dispositif tournant . Le document US-6260413, cité ici en référence, décrit un appareil d'essai similaire à celui utilisé ci-après. Son principe de fonctionnement est le suivant : un cylindre (le rotor) monté dans un carter est entraîné mécaniquement en rotation par un moteur électrique. La rotation du rotor entraîne dans son mouvement un gaz présent dans le carter, à l'extérieur à ce cylindre. Le gaz est freiné dans son déplacement par un cylindre fixe extérieur (la chemise). Le freinage du gaz et, par conséquent, du rotor dépend de la rugosité des parois des deux cylindres (fixe et rotor), de la vitesse de rotation du rotor et des caractéristiques du gaz. Le système a été conçu pour mesurer la caractéristique aérodynamique de la paroi interne d'une chemise interchangeable, le rotor étant inchangé au cours des différents essais de chemises. La caractéristique aérodynamique d'une chemise est mesurée à partir, soit d'un couplemètre monté sur l'arbre du rotor, entre le rotor et le moteur électrique, soit d'un tube de Pitot monté à égale distance entre la paroi externe du rotor et la paroi interne de la chemise, le tube de Pitot étant orienté dans la direction opposée au déplacement du rotor. On illustre par la figure 1: de gauche à droite, - une vue d'ensemble du dispositif tournant, - une vue interne du dispositif montrant le rotor, la 5 chemise, et un tube de Pitot, couvercle), - et vue de dessus du tube de Pitot. Les gaz utilisés sont de l'azote ou de l'argon. La pression du gaz varie au cours de l'essai entre 10 et 100 bar et la vitesse de rotation du rotor varie entre 1500 et 3000 tour/min pour l'argon. Ces conditions d'essai permettent d'obtenir des épaisseurs de couche visqueuse de l'ordre de quelques dixièmes à quelques 10 microns et, par conséquent, de mesurer des rugosités hydrauliques du même ordre de grandeur. Traitement des mesures en provenance du tube de Pitot: La vitesse périphérique U du rotor est calculée à partir de la vitesse de 15 rotation du rotor et de son diamètre. Le tube de Pitot fournit la pression dynamique au point de mesure. La connaissance de la densité donne la vitesse du gaz relativement à la paroi fixe, U2. Par conséquent, la vitesse du gaz relativement à la paroi mobile est U1=U-U2. 20 La performance d'une chemise d'essai est établie par rapport à des chemises de référence qui sont des chemises en acier inoxydable et dont la partie interne a été sablée. La gamme de rugosité s'étend de 0,3 à 7 microns de Ra (4 à 55 microns de Ry5) pour l'ensemble des chemises. Ra et Ry5 sont des mesures de rugosité définies par la norme ISO 4287 : Ra représente la 25 moyenne arithmétique et Ry5 la moyenne sur 5 intervalles de l'écart entre les points de plus forte et de plus faible amplitude. La performance des chemises de référence comme des chemises d'essai est établie par l'analyse du paramètre U1/U2 en fonction du nombre de Reynolds (Re) du canal séparant les cylindres interne et externe. Il a été observé, que pour toutes les chemises testées, la courbe représentant Ul/U2 en fonction de Re est unique quelles que soient les conditions de température, pression, qualité du gaz et vitesse de rotation du rotor. La variation de Ul/U2 en fonction de Re est donc propre à chacune des natures de chemise. La connaissance des courbes U1/U2 des chemises de référence permet de déterminer la performance aérodynamique d'une chemise d'essai soit : • par interpolation, lorsque la rugosité hydraulique équivalente se situe au dessus de celle de la chemise de plus petite rugosité (0,3 micromètre de Ra). • par extrapolation, lorsque la rugosité hydraulique équivalente se situe au dessus de cette dernière valeur. La performance aérodynamique d'une chemise est définie par sa rugosité hydraulique. Contrairement à la rugosité physique, la rugosité hydraulique est dépendante du nombre de Reynolds. Types de revêtements internes testés et principaux résultats 20 obtenus: L'application d'un revêtement interne dans une conduite de gaz vise à réduire significativement les pertes de charge en réduisant le facteur de friction à la paroi par rapport à une conduite non revêtue. L'effet de réduction de pertes de charge est calculé comme décrit dans le paragraphe précédent. 25 Les revêtements testés comprennent : • des revêtements à base de solvant ù résine époxydique avec solvant organique; • des revêtements sans solvant ù résine époxydique liquide; • un revêtement en poudre du type polyamide 11 ù poudre portée à la fusion après dépôt sur le substrat suivant les procédés connus de l'homme du métier; Il a été observé au cours des essais que la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement : • augmente lorsque sa rugosité physique augmente. La rugosité physique est obtenue après filtration des ondes d'une longueur d'onde supérieure à celle correspondant à la rugosité (Filtre passe bas RC avec seuil de filtration ou "Cut Off' de 0,8 mm). Le filtre passe bas RC et le "Cut Off" sont connus de l'homme du métier; • augmente lorsque le taux d'ondulation augmente (effet de peau d'orange). La rugosité physique équivalente est obtenue après filtration des ondes d'une longueur d'onde supérieure à celle des ondulations ("Cut Off' de 2,5 ou 8 mm selon la longueur d'onde des ondulations à analyser); • est plus faible pour une résine époxydique, ou pour le polyamide 11, que celle de l'acier pour des rugosités physiques équivalentes. Il a également été observé que la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement diminue lorsque l'épaisseur du revêtement augmente jusqu'à une valeur de l'ordre de 150 à 200 micromètres qui permet typiquement de lisser les effets de rugosité du substrat métallique, préalablement préparé par grenaillage suivant les conventions du métier. Toutefois, ce paramètre n'intervient que dans la mesure où une augmentation d'épaisseur contribue à faire diminuer la rugosité physique ainsi que le taux d'ondulations. Dans le cas des résines époxydiques, au delà de 200 à 300 microns d'épaisseur la rugosité hydraulique tend à augmenter avec l'épaisseur, surtout pour les résines à base de solvant, compte tenu d'une augmentation du taux d'ondulations résultant de coulures, ou du procédé de séchage. En résumé, la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement est 5 principalement fonction de la rugosité physique, du taux d'ondulation, et de la nature du matériau ou des composants constituant ce matériau. La figure 2 donne le paramètre de frottement Ul/U2 (en ordonnées) en fonction du nombre de Reynolds (Re) (en abscisse) pour cinq revêtements 10 différents: Revet_1 à Revet_5. Le gaz utilisé est de l'argon. Le polyamide 11 (Revet_5) a été testé par comparaison avec des revêtements époxydiques (Revet_1 à 4) particulièrement optimisés (épaisseur des revêtements de 150 à 200 micromètre). Les résultats obtenus résultent de la mesure moyenne sur un échantillonnage de trois revêtements (Revet_l, 2 et 15 5), de quatre revêtements (Revet_3) et de deux revêtements (Revet_4). Les revêtements 1 à 3 sont à base de solvant, tandis que le revêtement 4 est sans solvant. Il a été observé que le paramètre de frottement Ul/U2 (ou rugosité hydraulique) du polyamide 11 est inférieur à celui de tous les revêtements 20 testés à ce jour comme indiqué sur la figure 2. Les bonnes performances du Polyamide 11 peuvent, notamment, résulter par la très faible valeur de la rugosité physique (Tableau 1 ci-dessous û "Cut Off' de 0,8 mm) et par le très faible taux d'ondulations ("Cut Off' de 2,5 mm) Revet_l Revet_2 Revet_3 Revet_4 Revet_5 Ra pm-CO : 0,8 mm 1.2 1.3 1.2 1.2 0.14 Ry5 pm-CO : 0,8 mm 7.3 8.2 7.8 8.2 1.4 Ra pm-CO : 2,5 mm 1.9 2.2 1.8 3.2 0.4 Ry5 pm CO : 2,5 mm 10.1 11.7 10.6 13.9 2.1 Tableau 1 Sur la base des rugosités hydrauliques interpolées et extrapolées, le 5 facteur de friction est calculé pour un tube de 1 mètre, pour des nombres de Reynolds supérieurs à 2.10' (figure 3a). Le facteur de friction est défini en fonction de la perte de charge dans la conduite par : DP = fp L 2g , où f, p, L, D, V sont respectivement, le facteur de g 10 friction, la densité du fluide, la longueur et le diamètre de la conduite et la vitesse du fluide. Le facteur de friction est calculé à partir de l'équation de Colebrook & White 1 = -2log Rh + 2.51 où le nombre de 3.7D Rej Reynolds est défini par Re = VDp , ,u étant la viscosité absolue du fluide et 15 Rh, la rugosité hydraulique absolue. Le facteur de friction du polyamide 11 a été extrapolé dans des conditions d'extrapolation particulièrement difficiles compte tenu de sa rugosité hydraulique particulièrement négative. Toutefois, le facteur de friction du polyamide 11 est significativement inférieur à celui des revêtements 1 et 2 comme indiqué sur la figure 2. A un nombre de Reynolds de l'ordre de 2.107, le polyamide 11 présente un facteur de friction 5 à 10% plus faible que le meilleur revêtement époxydique testé et de 15 à 20% plus faible que la moyenne des revêtements époxydiques testés. La différence entre les facteurs de friction tend à s'accroître lorsque le nombre de Reynolds augmente. Erosion Des essais d'érosion ont été réalisés sur les revêtements de type 1 à 5. La figure 4 donne les résultats de perte de masse (pm en gramme en ordonnées) obtenus par érosion au corindon (masse en gramme ME en érodent en abscisse) de granulométrie d'environ 450 pm, projeté à une vitesse de 20 mis, sous un angle de 30 . Ces essais permettent de classer la sensibilité des revêtements à l'érosion suivant leur nature. Le Polyamide 11 a montré une résistance à l'érosion très supérieure aux autres revêtements testés. Cette performance des films à base de poudre polyamide 11 est à rapprocher de leur caractère thermoplastique semi cristallin qui confère aux revêtements de polyamide en général une résistance mécanique accrue grâce à l'aptitude à la déformation plastique, par opposition aux revêtements à base époxydiques dérivés de polymères thermodurcissables réputés pour leur caractère fragile. REVENDICATIONS 1) Utilisation du polyamide 11 comme revêtement interne d'une conduite de transport de gaz, pour réduire les pertes de charge. 2) Utilisation selon la revendication 1 dans laquelle le polyamide est déposée en poudre dans la conduite avant d'être chauffé. 3) Utilisation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur du revêtement est compris entre 20 et 400 pm.