Brevet FR2904086A1 — publié le 20080125

PROCEDE DE REPARATION D'UN REVETEMENT THERMIQUEMENT ISOLANT A LA SURFACE D'UN EQUIPEMENT CRYOTECHNIQUE EN CAS D'ANOMALIE D'ADHERENCE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à un procédé de réparation d'un revêtement thermiquement isolant à la surface d'un équipement, par exemple un réservoir ou une tuyauterie, cryotechnique en cas d'anomalie d'adhérence. L'invention est utilisable notamment dans les domaines aéronautique et spatial. Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple un équipement cryotechnique de type réservoir implanté sur un lanceur spatial. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Lorsque l'on désire assurer la protection d'un réservoir, ou plus généralement d'un équipement cryotechnique, il est d'usage afin de limiter des entrées thermiques de revêtir celui-ci d'un matériau thermiquement isolant, qui est soit collé, soit projeté directement sur la surface de celui-ci. Le document, référencé [1] en fin de description, décrit ainsi un procédé d'isolation thermique d'une structure métallique telle qu'un réservoir ou une tuyauterie à usage cryogénique, appartenant par exemple à des véhicules ou des engins 2904086 2 utilisés dans les domaines aéronautique et spatial. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - pose d'un revêtement primaire d'une résine époxy sur une surface de ladite structure à 5 isoler thermiquement ; - projection d'une couche d'accrochage d'une mousse de polyuréthanne, d'épaisseur inférieure à 5 mm, sur ledit revêtement primaire ; - mesure de l'épaisseur de la mousse ainsi 10 déposée sur la structure ; projection d'au moins une couche supplémentaire de ladite mousse de polyuréthanne, jusqu'à obtention d'une épaisseur désirée de mousse de polyuréthanne, chaque projection étant suivie d'une 15 nouvelle mesure de l'épaisseur de la mousse déposée sur la structure, et chaque couche supplémentaire ayant une épaisseur déterminée en fonction de l'épaisseur de la mousse mesurée précédemment. Lors de la mise en oeuvre d'un réservoir 20 cryotechnique ainsi revêtu certaines anomalies sont fréquemment rencontrées. Ce sont généralement des anomalies qui entraînent des manques d'adhérences du revêtement thermiquement isolant sur la surface du réservoir. Ces anomalies peuvent n'avoir pas de 25 conséquences graves si elles sont localisées, car elles nécessitent que de petites réparations ponctuelles. Mais ces anomalies peuvent être trop étendues vis à vis des exigences fonctionnelles que doit assurer la protection. Ainsi un réservoir cryotechnique destiné à équiper un lanceur est volumineux, pour pouvoir stocker 2904086 3 plusieurs tonnes d'ergols, et de plus entièrement isolé pour limiter au maximum les entrées thermiques. Ainsi la perte d'un panneau d'isolation, monté sur un tel réservoir, avant et après le décollage du lanceur 5 implique des risques potentiels de disfonctionnement de mise en oeuvre de celui-ci au cours de son remplissage. Il peut en résulter la destruction du lanceur par le biais d'importants flux thermiques entrant par la surface démunie d'isolation, qui entraînent une 10 augmentation rapide de la température à des valeurs supérieures à la limite de rupture acceptable de la structure du réservoir. La plupart des isolations défectueuses dues à une mauvaise adhérence du revêtement à la surface du 15 réservoir produisent, en effet, des spallations, ou cryopompage de l'air . Lors du décollage du lanceur, l'air et l'humidité piégés entre la paroi mince du réservoir et le revêtement mal collé induisent un risque de condensation et de gel occasionnant des 20 dommages du revêtement. Ainsi, lors du remplissage des réservoirs, les gaz situés aux abords de la paroi froide se condensent, créant un gradient de densité dans l'épaisseur du revêtement. Pendant la montée en atmosphère du lanceur, des augmentations locales de 25 pression peuvent alors survenir dans le matériau isolant. Lorsque cette pression devient supérieure à la limite élastique du matériau, il y a spallation, avec gonflement des cellules, puis éclatement de l'isolant. Un tel problème peut être résolu en grande partie par 30 l'utilisation de mousses à cellules fermées, à 2904086 4 condition bien évidemment que celles-ci soient bien collées à la surface du réservoir. Par ailleurs, en plus de limiter les flux de chaleur entrants, un tel revêtement doit permettre 5 les mouvements de la peau du réservoir et supporter les charges d'accélération soumises au lanceur. Il est donc indispensable lorsque l'on rencontre un tel défaut de mauvaise adhérence du revêtement, de déposer entièrement le revêtement du 10 réservoir, ce qui n'est pas sans conséquences graves pour le fabricant. Aussi pour isoler des réservoirs cryotechniques, on peut respecter quelques règles préventives pour éviter notamment une mauvaise qualité, 15 une mauvaise préparation et une mauvaise imprégnation de l'adhésif, qui peut être par exemple un adhésif bicomposant polymérisant à la température ambiante (par exemple de type Araldite (marque déposée)), un manque de mise en pression de l'assemblage à coller et une 20 mauvaise préparation de surface (pollution, corps étrangers...) . En ce qui concerne la qualité de l'adhésif, on ne se contente pas de vérifier la date de péremption de celui-ci pour garantir les propriétés 25 intrinsèques de la base ou du durcisseur de l'adhésif. Un contrôle par spectrométrie infrarouge permet une analyse fonctionnelle de celui-ci et constitue une méthode d'identification très fiable de mise en oeuvre aisée et rapide par comparaison avec un spectre de 30 référence. De plus pour éviter une altération des 2904086 5 produits de base dans le temps un stockage à basse température est effectué. - En ce qui concerne la préparation de l'adhésif, on respecte le bon dosage de la base et du 5 durcisseur, ainsi que son mélange (bonne homogénéité). De plus on vérifie la préparation de l'adhésif : vérification des numéros de lot des composants, dates de péremption, dosages, conditions climatiques, temps de mélange..., une vérification de la fin de durée de 10 vie permettant de s'assurer des bonnes caractéristiques de l'adhésif. - En ce qui concerne l'épaisseur du joint de colle, deux problèmes sont identifiés l'un par un manque qui réduit la surface encollée, l'autre par une 15 surépaisseur le fragilisant à basse température. On utilise ainsi un tissu de verre qu'on imprègne de colle de façon à calibrer l'épaisseur du joint de colle lorsqu'on vient presser le revêtement sur la surface du réservoir. La quantité de colle à déposer est 20 légèrement supérieure au besoin, ce qui évite une épaisseur insuffisante. La mise sous pression de l'assemblage à l'aide d'un sac à vide permet alors un bon contact de l'ensemble et élimine par fluage l'excédent de colle vers le tissu de drainage utilisé 25 pour mettre le sac en dépression. Malheureusement, quelque soit la nature du matériau isolant utilisé et de toutes les précautions pouvant être prises lors du collage d'un revêtement sur une surface à protéger, des anomalies graves peuvent 30 apparaître jusqu'à la fin de ces opérations de collage. 2904086 6 La présente invention a pour objet la réparation d'un tel revêtement thermiquement isolant qui a mal été collé sur la surface d'un réservoir cryotechnique, permettant d'éviter d'avoir à déposer 5 entièrement ce revêtement et à décaper la surface de ce réservoir dans sa totalité. En effet, lorsque l'on dépose un tel revêtement celui-ci n'est plus réutilisable du fait qu'il est réduit en petits morceaux au fur et à mesure qu'on le décolle de la 10 surface du réservoir cryotechnique. A titre indicatif, l'isolation d'un réservoir cryotechnique, de type Ariane 5, représente une surface de plus de 300 mètres carrés. Les différents problèmes techniques à 15 résoudre par l'invention sont donc d'éviter : - la perte de l'intégralité du revêtement défectueux lors de sa dépose ; - le décapage de la surface du réservoir qui laisse apparaître le joint de colle encore adhérent 20 sur celle-ci ; - le renouvellement, sur la totalité de la surface du réservoir, du procédé d'isolation thermique du réservoir et la dépose de certains équipements (lignes, gouttières électriques, capots, capteurs...). 25 L'objet de la présente invention est de résoudre ces problèmes en préservant pratiquement la totalité du revêtement défectueux, en garantissant l'adhérence du revêtement défectueux de manière à assurer toutes les exigences fonctionnelles du lanceur 30 au sol et en vol, sans changer la définition de la protection thermique par l'ajout d'une ceinture ou 2904086 7 d'autres éléments perturbateurs, et en réduisant au maximum le coût engendré par l'anomalie. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 La présente invention concerne un procédé de réparation d'un revêtement thermiquement isolant à la surface d'un équipement cryotechnique en cas d'anomalie d'adhérence, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 10 - on réalise des tranchées de directions perpendiculaires dans au moins une partie du revêtement défectueux pour former des pavés d'isolation de forme rectangulaire, - on encastre ces pavés d'isolation par des 15 baguettes de fermeture ayant les mêmes dimensions que les tranchées, - on colle ces baguettes de fermeture sur la surface de l'équipement et sur les champs apparents du revêtement défectueux laissé sur place. 20 Avantageusement les pavés d'isolation sont plaqués sur la surface de l'équipement sans aucune adhérence. Les baguettes sont réalisées dans le même matériau que le revêtement. Dans un mode de réalisation avantageux, les 25 tranchées sont, dans un équipement de forme cylindrique, des tranchées longitudinales le long de cet équipement et des tranchées circulaires autour de cet équipement. Dans un mode de réalisation avantageux, les 30 tranchées ont une largeur d'environ 20 mm et une profondeur égale à celle du revêtement. 2904086 8 L'équipement cryotechnique peut être un réservoir cryotechnique d'un engin spatial, par exemple un lanceur. Le procédé de l'invention présente les 5 avantages suivants . il permet de réaliser une réparation simple et rapide, ce qui minimise les retards de fabrication liés au revêtement défectueux, il permet de ne déposer qu'une faible 10 surface du revêtement défectueux, selon une géométrie spécifique, en utilisant le même adhésif, - il prend en compte un coefficient de sécurité, tout en garantissant que la réparation effectuée suite à l'anomalie n'engendre pas de 15 phénomène de cryopompage de l'air, - il permet d'éviter une perte de matière, des risques de détérioration de la structure porteuse, souvent très fragile, lors du démontage du revêtement défectueux, des traitements de surface à effectuer 20 avant la pose d'un nouveau revêtement, parfois le démontage de nombreux équipements si l'anomalie d'adhérence n'est pas détectée rapidement, un retard important du cycle de fabrication, et une perte financière considérable, voire prohibitive sur 25 certaines applications. Le procédé de l'invention est plus spécialement dédié aux isolations thermiques des réservoirs cryotechniques de lanceurs contenant de l'oxygène ou de l'hydrogène liquide. Toutefois, il peut 30 également être employé dans tout autre secteur 2904086 9 industriel dans lequel on met au point des réservoirs cryotechniques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 5 Les figures 1A et 1B illustrent la mise en oeuvre du procédé de l'invention dans une vue de dessus et dans une vue en coupe partielle. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 10 Le procédé de réparation d'un revêtement thermiquement isolant 10 à la surface d'un équipement, par exemple un réservoir, cryotechnique 11 en cas d'anomalie d'adhérence, selon l'invention, comprend les étapes suivantes . 15 on ôte une partie du revêtement défectueux en réalisant des tranchées 12 de directions perpendiculaires, par exemple de direction longitudinale et circulaire pour un réservoir cylindrique, pour former des pavés d'isolation 13 de 20 forme rectangulaire, - on encastre ces pavés d'isolation par des baguettes de fermeture 14 ayant les mêmes dimensions que les tranchées, et on colle celles-ci sur la surface du 25 réservoir et sur les champs apparents du revêtement défectueux laissé sur place, en des zones 15, 16 et 17 illustrées sur la figure 1B, ces baguettes étant réalisées dans le même matériau que le revêtement ce qui permet de rendre étanches les motifs d'isolation 30 pour éviter tout phénomène de cryopompage de l'air. 2904086 10 Ces tranchées sont réalisées, à titre d'exemple, sur une largeur d'environ 20 mm et sur une profondeur allant jusqu'à la surface du réservoir. Ces tranchées en se croisant forment des pavés de forme 5 rectangulaire ou même carrée, selon un pas déterminé par un calcul et justifié par des essais. Ce calcul est de forme analytique : il est issu d'une formule basée sur le principe de la résistance des matériaux, qui tient compte de la nature 10 du matériau isolant et du fait d'encastrer une partie du revêtement défectueux par des baguettes de fermeture collées sur la surface du réservoir et sur les champs apparents du revêtement défectueux laissé en place. Une telle formule analytique de la 15 résistance des matériaux peut être suivante : umax = (3 P 12 / e2 avec : P: pression appliquée 1 : largeur du pavé 20 L : longueur du pavé e : épaisseur du pavé : 0,3078 si L/1 = 1 R : 0,3834 si L/1 = 1,2 L'usinage des tranchées peut être réalisé 25 avec différents procédés connus de l'homme du métier. La largeur des tranchées est calculée en fonction de la nature du matériau thermiquement isolant pour éviter d'endommager la surface du réservoir. En effet, cette surface d'accroche correspond aux contraintes 30 hyperstatiques que subit le revêtement lors de la mise en froid et la pressurisation du réservoir 2904086 11 cryotechnique, qui à lieu pendant la phase de mise en oeuvre au sol du lanceur, peu de temps avant son décollage. Le procédé selon l'invention répond 5 également à d'autres besoins techniques : - Le fait que les parties défectueuses du revêtement soient entièrement encastrées sur les bords permet d'éviter toute propagation des fissures du matériau si un défaut lié au phénomène de cryopompage 10 de l'air venait à se produire par manque étanchéité. -Après que le l'adhésif ait été sollicité en cisaillement, lors de la mise en froid du réservoir cryotechnique, par la contraction thermique des matériaux (structure porteuse et isolant), le 15 revêtement doit tenir à la surface du réservoir malgré les efforts induits lors de la phase de vol du lanceur (dépression et allongement imposé par la tôle sous l'effet des efforts de vol). Or, l'encastrement et l'étanchéité du matériau isolant engendrent un 20 phénomène contraire à la traction appelé effet ventouse tel que lorsque l'on applique une traction sur la zone défectueuse, celle-ci en se soulevant par manque d'adhérence crée entre elle et la surface du réservoir une dépression l'empêchant de s'arracher. On 25 peut ainsi considérer que le besoin de dépression pour un pavé de revêtement de 300 mm X 300 mm à 20 K est de 1 bar multiplié par 2 (coefficient de sécurité) soit 2 bar. Pour diminuer cette dépression il suffit d'augmenter la surface de la plaque, on peut donc 30 réaliser des pavés de revêtement de 780 mm X 780 mm avec une valeur de 510 mbar de dépression. 2904086 12 Le tableau suivant donne les résultats d'un calcul analytique pour la prévision de rupture (critère de rupture 6) pour un panneau I de 300 mm x 300 mm et pour un panneau II de 780 mm x 780 mm, avec une 5 épaisseur de 21 mm. Panneau Temp. E(MPa) P(mbar) umax. (MPa) I 293 K 20 175 1,1 20 K 65 121 0,76 II 293 K 20 26 1,1 20 K 65 18 0,76 Le procédé de l'invention ainsi défini permet de garantir toutes les exigences fonctionnelles 10 de l'isolation, en terme de tenue mécanique, en collant des baguettes de fermeture à l'intérieur de saignées préalablement usinées faisant 20 mm de largeur et espacées par exemple de 300 mm dans le sens longitudinal et de 300 mm dans le sens circulaire du 15 réservoir cryotechnique, comme illustré sur le figure 1. Avantageusement, dans le procédé de l'invention, le joint de colle des baguettes de fermeture n'est pas soumis aux dégradabilités 20 suivantes . - Photodégradabilité (action des UV) le joint de colle n'est pas soumis à la lumière, - Aquadégradabilité (action de l'eau) le joint de colle se situe dans une zone étanche, 2904086 13 -Biodégradabilité (action des micro-organismes) : la résine époxy utilisée pour effectuer la réparation n'est biodégradable. 5 Exemple de réalisation Dans un exemple de réalisation, le revêtement thermique isolant, monté sur un réservoir cryotechnique destiné à équiper un lanceur de type Ariane 5, est réalisé avec de la mousse rigide à 10 cellules fermées en polychlorure de vinyle. Après avoir déposé ce revêtement sur le réservoir cryotechnique, on décèle à l'aide de procédures de contrôle une anomalie d'adhérence du revêtement sur plus d'un tiers de sa surface, ce qui 15 conduit normalement à décaper entièrement la protection thermique de la surface métallique du réservoir, soit environ 340 mètres carrés. Le procédé de l'invention consiste, alors, à renforcer la tenue du revêtement par un quadrillage 20 de baguettes collées dont la fonction principale est d'encastrer une surface défectueuse définie par calcul analytique. Ce procédé est simple et ne nécessite pas de modifier la définition de l'isolation d'origine par un quelconque système supplémentaire. 25 Pour justifier le modèle analytique, on fait l'hypothèse, qui est clairement dimensionnante mais conservative, que seules les baguettes de fermeture sont collées et que les pavés d'isolation centraux encastrés sont plaqués sur la structure 30 porteuse sans aucune adhérence. L'isolation ainsi réparée permet les mouvements de la peau du réservoir 2904086 14 dus aux efforts hyperstatiques (contractions thermiques et pressurisation des réservoirs) pendant la phase de remplissage au sol, et aux efforts généraux supportés par le lanceur en vol. 5 Après la polymérisation, on s'assure du bon collage des baguettes de fermetures ainsi que de la présence d'adhésif au niveau des joints. Un joint sans adhésif pourrait conduire à un phénomène de cryopompage de l'air lors de la mise en froid du réservoir. Le jeu 10 toléré entre les baguettes de fermeture et les pavés d'isolation encastrés est aux alentours d'un millimètre. Dans cet exemple à la température de 20K, on utilise un adhésif qui garantit une tenue en cisaillement supérieure à 10 MPa, ce qui est 15 conservatif par rapport à la valeur de contrainte du matériau isolant en mousse rigide à cellules fermées en polychlorure de vinyle. 2904086 15 REFERENCES [1] EP 1 124 088 5 REVENDICATIONS 1. Procédé de réparation d'un revêtement thermiquement isolant (10) à la surface d'un équipement cryotechnique (11) en cas d'anomalie d'adhérence, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : on réalise des tranchées (12) de directions perpendiculaires dans au moins une partie du revêtement défectueux pour former des pavés d'isolation (13) de forme rectangulaire, - on encastre ces pavés d'isolation par des baguettes de fermeture (14) ayant les mêmes dimensions que les tranchées, - on colle ces baguettes de fermeture sur la surface de l'équipement (11) et sur les champs apparents du revêtement défectueux laissé sur place. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les pavés d'isolation sont plaqués sur la surface de l'équipement sans aucune adhérence. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les baguettes sont réalisées dans le même 25 matériau que le revêtement. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les tranchées, dans un équipement de forme cylindrique, sont des tranchées longitudinales le long 30 de cet équipement et des tranchées circulaires autour de cet équipement. 2904086 17 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les tranchées ont une largeur d'environ 20 mm, et une profondeur égale à l'épaisseur du revêtement. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le revêtement comprend un matériau isolant en mousse rigide à cellules fermées en polychlorure de vinyle. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'équipement cryotechnique est un réservoir cryotechnique. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le réservoir cryotechnique est le réservoir d'un engin spatial. 9. Procédé selon la revendication 8, dans 20 lequel l'engin spatial est un lanceur. 5 10 15