Brevet FR3046654A1 — publié le 20170714

Le secteur technique de la présente invention est celui des tuyaux à double enveloppe entre lesquelles un isolant thermique est interposé. Dans le secteur pétrolier sont utilisés depuis plusieurs 5 décennies des tuyaux ou tuyaux à double enveloppe pour assurer l'isolation thermique de la conduite formée par l'assemblage de ces tuyaux successifs par soudure, vissage ou encore manchonnage. Dans des configurations bien c onnues dans ce secteur, 10 l'isolation thermique est apportée par un niveau de vide poussé entre le tube intérieur et le tube extérieur, soit par un niveau de vide poussé couplé à une succession de couche anti-radiative entre le tube intérieur et le tube extérieur, soit encore par une couche de matériau microporeux sous vide 15 moyen entre le tube intérieur et le tube extérieur. Les inconvénients des tuyaux à double enveloppe utilisant un vide poussé sont de deux ordres : l'obtention de ce niveau de vide, typiquement de l'ordre de 0,01 millibar (voire 10-5 millibar dans le cas d'un vide poussé sans succession de 20 couche anti-radiative) et le maintien à long terme de ce niveau de vide. Or, si la pression de vide dans l'annulaire compris entre le tube intérieur et le tube extérieur augmentent jusqu'à une pression de l'ordre de 0,1 millibar voire 10 millibars, la propriété d'isolant thermique de 25 l'annulaire sera faible avec une conductivité thermique de la couche d'air dégradée d'un facteur 5 à 0,1 millibar, respectivement d'un facteur 25 à 10 millibars pour obtenir une conductivité thermique de l'ordre de 25 mW/(m.K). Certains artefacts, comme l'utilisation de getters qui 30 consistent en de petites capsules contenant un matériau qui adsorbe les molécules de gaz, sont parfois utilisés pour retarder l'augmentation de pression. Ce procédé reste néanmoins difficile à mettre en oeuvre et s'avère limité dans le temps (jusqu'à saturation du getter). Ceci permet donc de 35 retarder une éventuelle augmentation de la pression qui peut être dû à un dégazage du matériau des tubes par exemple. Toutefois, quand les durées de vie typique des tuyaux d'un champ de pétrole ou des tubes d'un puits de pétrole sont 3046654 2 de l'ordre de 20 ans, cette solution n'apporte pas aujourd'hui les garanties nécessaires pour assurer les performances thermiques sur cette durée. L'utilisation d'un isolant microporeux sous vide moyen présente plusieurs avantages par rapport aux précédents comme décrit dans le brevet EP-0890056 du demandeur, intitulé tuyau pour canalisations du type à double enveloppe d'isolation thermique. Dans ce brevet, la pression réduite nécessaire est comprise entre 0,5 et 100 millibars ; il y a donc un facteur d'au minimum 50 voir de 50 000 sur la pression de vide évoquée plus haut. Cette pression de vide nécessaire à l'isolant microporeux est tout à fait standard dans de nombreuses industries (industrie agro-alimentaire par exemple) et ne s'avère pas très coûteuse à mettre en oeuvre dans un annulaire d'un tube double enveloppe. La durée du niveau de vide (et des performances thermiques) est donc prolongée par le même facteur (si l'on suppose un taux de dégazage constant dans le temps) et s'avère compatible avec les durées de vie typique des tuyaux d'un champ de pétrole. L'isolant microporeux est typiquement composé majoritairement de matière silicique comme de la silice pyrogénée et minoritairement de dioxyde de titane. En plus de ces deux composants, on peut ajouter des fibres de renforcement. Ce mélange est alors comprimé dans un sac non étanche. Les panneaux d'isolant prêts à être appliqué sur un tube se présentent donc sous la forme de panneaux plats d'épaisseurs comprise entre 2 et 30 mm selon l'application ou selon les performances thermiques souhaitées pour le tuyau à double paroi. Cette performance thermique peut ainsi variée de 0,5 W/(m2.K) à 5 W/(m2.K). Ces performances sont obtenues en réalisant un vide moyen (de l'ordre de 10 mbar) dans l'annulaire entre le tube intérieur et le tube extérieur. La mise en pression réduite de l'annulaire et donc des panneaux d'isolant permet d'augmenter les performances d'isolation des panneaux : il s'agit de l'effet microporeux. La conductivité thermique peut ainsi être réduite d'un facteur 2 à 10. La densité typiquement utilisée est de 250 kg/m3 ce qui permet d'obtenir des panneaux ayant une bonne tenue mécanique 3046654 3 et dans certains cas d'éviter l'utilisation d'écarteurs entre le tube intérieur le tube extérieur d'un tuyau à double enveloppe. Cependant, cette densité présente des inconvénients : l'application de ces panneaux à densité 5 élevée (250 kg/m3) est difficile pour des épaisseurs supérieures à 15 mm et sur des tubes de petits diamètres, inférieurs à 150 mm. Ainsi, lors de leur mise en oeuvre, ces panneaux plats avant application sur un tube vont être déformés pour être 10 appliqués sur un tube rond. Plus le rayon de courbure du tube est faible et l'épaisseur du panneau importante, plus il sera difficile d'appliquer ces panneaux. Le risque réside dans le fait que l'isolant à l'intérieur du panneau se fissure et la performance thermique globale du panneau est alors dégradée. 15 Une autre limitation de ces panneaux de densité 250 kg/m3 réside dans la performance thermique. Le demandeur a donc entrepris des études afin de résoudre le problème posé par ces panneaux connus. Ces études ont permis de comprendre qu'en réduisant la densité des panneaux 20 d'isolant microporeux, on pouvait utiliser ceux-ci avec des tubes de diamètre réduit. Le but de la présente invention est donc de fournir de nouveaux panneaux d'isolants microporeux avec une densité réduite tout en augmentant les performances d'isolation 25 thermique. L'invention a donc pour objet des panneaux d'isolant microporeux pour tuyau double enveloppe destinés à être enroulés autour d'un tube interne, caractérisés en ce qu'ils présentent sous une pression réduite une densité de poudre 30 inférieure à 180 kg/m3 et une conductivité thermique de 3 mW/(m.K) à 8 mW/(m.K) pour une température comprise entre 50 et 300 °C. Selon une caractéristique de l'invention, les panneaux présentent une densité de poudre comprise entre 150 et 180 35 kg/m3. Avantageusement, les panneaux présentent une densité de poudre de 180 kg/m3. 3046654 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'isolant microporeux est constitué par de la silice pyrogénée et de l'oxyde de titane avec une faible proportion de fibres minérales ou organiques. 5 Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le tube interne présente un diamètre de l'ordre de 150 mm. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le tube interne présente un diamètre supérieur à 150 mm, des écarteurs étant insérés entre le tube interne et le tube 10 externe. Avantageusement, les écarteurs sont constitués par des panneaux d'isolant microporeux ayant une densité de poudre de 250 kg/m3. L'invention a également pour objet un tuyau double 15 enveloppe comprenant des panneaux ayant une densité de 180 kg/m3 et des panneaux ayant une densité de 250 kg/m3 en éloignement les uns des autres enroulés autour du tube interne. L'invention trouve une utilisation particulière dans la 20 fabrication de tuyaux double enveloppe destinés aux champs de pétrole, panneaux enroulés autour du tube interne. Un tout premier avantage de l'invention réside dans la performance thermique obtenue. En effet, on a constaté de façon surprenant que la conductivité thermique d'un panneau 25 d'isolant microporeux comprimé à une densité comprise entre 150 et 180 kg/m3 est de 15% à 20% plus faible que celle du même isolant avec une densité de 250kg/m3. Un autre avantage de la présente invention réside dans la réduction du coût de la matière première. 30 Un autre avantage encore des panneaux selon l'invention réside dans l'absence de fissures du matériau microporeux quelle que soit son épaisseur. D'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture du complément de 35 description qui va suivre donné à titre d'exemple en relation avec le dessin de la figure 1 illustrant la conductivité thermique d'un isolant microporeux. 3046654 5 Un tuyau double enveloppe est constitué d'un tube interne dans lequel circule le fluide et d'un tube externe, ces deux tubes délimitant un annulaire. Dans cet annulaire, on dispose autour du tube interne des panneaux isolants 5 microporeux afin de réduire les pertes thermiques. Dans la présente invention, on entend par pression réduite une pression inférieure à la pression atmosphérique mais supérieure au vide, par exemple comprise entre 0,5 et 900 mbars et plus particulièrement entre 0,5 et 100 mbars. 10 Lors de la fabrication du tuyau double enveloppe, on vient enrouler autour du tube interne les panneaux isolants puis on introduit le tube ainsi équipé dans le tube externe. En utilisant les panneaux de faible densité selon l'invention, on obtient une réduction des pertes thermiques, 15 de l'ordre d'environ 20%, à celle obtenue avec les panneaux classiques de 250 kg/m3. On peut également utiliser des panneaux d'épaisseur environ 20% inférieure pour obtenir la même performance thermique du tuyau. Sur la figure 1, on a représenté la courbe de la 20 conductivité thermique d'un isolant microporeux soumis à un vide de 10 mbar en fonction de la densité. La conductivité thermique est mesurée à 50 °C. On voit sur la figure que la conductivité thermique passe sous une pression réduite, par exemple de 10 mbars, de 3,3 25 mW/(m.K) pour une densité de 150 kg/m3 à 9 mW/(m.K) pour une densité de 400 kg/m3 en passant par une valeur de 4,3 mW/(m.K) pour une densité de 250 kg/m3. Loin d'être dégradée par une réduction de densité, la performance thermique de l'isolant microporeux est augmentée sous pression réduite, 30 l'augmentation de la conductivité thermique traduisant une réduction de la performance thermique. On voit tout l'intérêt de l'invention qui permet, d'une part d'isoler des tuyaux double enveloppe de diamètre réduit et, d'autre part de proposer un matériau microporeux dont les 35 performances d'isolation thermique sont plus élevées. L'utilisateur peut en conséquence soit conserver la même performance thermique que celle obtenue avec des panneaux de 250 kg/m3 et son choix peut se porter sur un panneau ayant 3046654 6 une densité de 180 kg/m3 en réduisant l'épaisseur de ce panneau, soit préférer une performance thermique supérieure en conservant la même épaisseur mais avec des panneaux ayant une densité de 180 kg/m3. 5 Par conséquent, ceci permet dans certains cas d'utiliser un tube extérieur de dimension plus faible. Le gain global à réduire la taille du tube extérieur d'un tuyau pour une application offshore ou pour une application dans un puits de pétrole est très important : avec un tube extérieur de 10 diamètre inférieur, l'épaisseur de ce tube pourra être sélectionnée plus petite également car, pour une même épaisseur de paroi, la résistance au flambage par la pression extérieure est meilleure pour un tube de diamètre inférieur. A performances thermiques égales, la masse globale du 15 tuyau pourra être réduite, masse qui peut être limitante sur les bateaux de pose de conduite offshore pour des projets de développement de champs de plus en plus profonds, au-delà de 2000 mètres de profondeur, ainsi que sur les plateformes d'installation des tubes de forage et production dans un 20 puits de pétrole avec des puits d'aujourd'hui forés à plus de 3000 mètres de profondeur, à terre ou offshore. L'utilisation d'un isolant à faible densité sous pression réduite, et donc plus performant, peut donc avoir un effet palier important et réduire le coût de certains projets 25 nécessitant des tuyaux calorifugés voir de rendre possible le développement de champ jusqu'alors impossible pour raisons économiques ou techniques (performance thermique requise ou capacité des moyens d'installation). L'invention entraîne une réduction du coût de la matière 30 première constituée par la silice et le dioxyde de titane. En effet, le gain de matière entre un panneau comprimé à 250 kg/m3 et un panneau de même volume comprimé à 180 kg/m3 est de 28% et de 40% pour un panneau comprimé à 150 kg/m3. Or, le coût des panneaux est en partie dû au coût de la matière 35 contenue dans le panneau. L'application des panneaux d'isolant à faible densité peut s'effectuer avec les mêmes équipements que les panneaux traditionnels comprimés à 250 kg/m3. Pour les tubes de 3046654 7 diamètre supérieur à 150 mm, on utilisera par exemple un équipement pour enrouler les panneaux avec une toile le long du tube 2 par 2 ou 3 par 3 en fonction de la largeur des panneaux. Un tel équipement est largement utilisé pour la 5 fabrication de tuyaux calorifugés à double enveloppe pour l'offshore. Pour les tubes de diamètre inférieur à 150 mm, on pourra utiliser avantageusement l'équipement en forme conique qui permet d'installer en continu les panneaux d'isolant sur le 10 tube intérieur. Cet équipement est décrit dans le brevet FR2937398. L'objectif dans les deux cas est que la densité finale des panneaux appliqués sur le tube interne soit de 180 kg/m3 voir de 150 kg/m3. En utilisant les panneaux selon l'invention, on met en 15 oeuvre des forces et des pressions plus faibles. En effet, en fin d'application par l'équipement en forme de cône indiqué précédemment, les panneaux sont légèrement comprimés pour s'assurer d'une bonne jonction entre les deux battants des panneaux et ainsi éviter qu'il y ait une épaisseur plus 20 faible à la jonction longitudinale d'un panneau voir une légère ouverture ce qui impacterait les performances thermiques de l'ensemble. Du fait de leur densité réduite, ces panneaux nécessitent une re-compression plus faible que les panneaux de densité plus élevée et ainsi les équipements 25 associés peuvent être sélectionnés plus petits : treuil et câble de traction, cône de re-compression' Si la résistance de ces panneaux de faible densité est trop faible pour reprendre la masse du tube extérieur par exemple, des écarteurs peuvent être placés régulièrement le 30 long du tube intérieur pour reprendre les efforts que pourraient voir les panneaux d'isolants. Ces écarteurs peuvent être des pièces en demi-coquilles fixées sur le tube intérieur et d'une matière isolante pour ne pas trop dégrader la performance thermique globale du tuyau. Des panneaux de 35 densité 250kg/m3 ou supérieure peuvent également être utilisés comme écarteurs. REVENDICATIONS1. Panneaux d'isolant microporeux pour tuyau double enveloppe destinés à être enroulés autour d'un tube interne, caractérisés en ce qu'ils présentent sous une pression réduite une densité de poudre inférieure à 180 kg/m3 et une conductivité thermique de 3 mW/(m.K) à 8 mW/(m.K) pour une température comprise entre 50 et 300 °C. 2. Panneaux d'isolant microporeux selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils présentent une densité de poudre 10 comprise entre 150 et 180 kg/m3. 3. Panneaux d'isolant microporeux selon la revendication 1 ou 2, caractérisés en ce qu'ils présentent une densité de poudre de 180 kg/m3. 4. Panneaux d'isolant microporeux selon la revendication 15 1, caractérisés en ce que l'isolant microporeux est constitué par de la silice pyrogénée et de l'oxyde de titane avec une faible proportion de fibres minérales ou organiques. 5. Panneaux d'isolant microporeux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisés en ce que la pression 20 réduite est comprise entre 0,5 et 100 mbars. 6. Tuyau double enveloppe comprenant des panneaux d'isolant microporeux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube interne présente un diamètre de l'ordre de 150 mm. 25 7. Tuyau double enveloppe, comprenant des panneaux d'isolant microporeux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube interne présente un diamètre supérieur à 150 mm, des écarteurs étant insérés entre le tube interne et le tube externe. 30 8. Tuyau double enveloppe comprenant des panneaux d'isolant microporeux selon la revendication 7, caractérisé en ce que les écarteurs sont constitués par des panneaux d'isolant microporeux ayant une densité de poudre de 250 kg/m3. 35 9. Tuyau double enveloppe comprenant des panneaux d'isolant microporeux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des panneaux ayant une densité de 180 kg/m3 et des panneaux ayant une densité de 250 3046654 9 kg/m3 en éloignement les uns des autres et enroulés autour du tube interne. 10. Utilisation de panneaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour la fabrication de tuyaux double 5 enveloppe destinés aux champs de pétrole, panneaux enroulés autour du tube interne.