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WO1998034061A1 - Enveloppe d'isolation thermique, notamment pour la construction de canalisations sous-marines vehiculant des produits petroliers - Google Patents

Enveloppe d'isolation thermique, notamment pour la construction de canalisations sous-marines vehiculant des produits petroliers Download PDF

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Publication number
WO1998034061A1
WO1998034061A1 PCT/FR1998/000170 FR9800170W WO9834061A1 WO 1998034061 A1 WO1998034061 A1 WO 1998034061A1 FR 9800170 W FR9800170 W FR 9800170W WO 9834061 A1 WO9834061 A1 WO 9834061A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
tube
pipe
envelope
envelope according
Prior art date
Application number
PCT/FR1998/000170
Other languages
English (en)
Inventor
Philippe Marchal
Original Assignee
Itp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Itp filed Critical Itp
Priority to AU61039/98A priority Critical patent/AU6103998A/en
Publication of WO1998034061A1 publication Critical patent/WO1998034061A1/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L58/00—Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation
    • F16L58/18—Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation specially adapted for pipe fittings
    • F16L58/181—Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation specially adapted for pipe fittings for non-disconnectable pipe joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L13/00—Non-disconnectable pipe joints, e.g. soldered, adhesive, or caulked joints
    • F16L13/02—Welded joints
    • F16L13/0254—Welded joints the pipes having an internal or external coating
    • F16L13/0272—Welded joints the pipes having an internal or external coating having an external coating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/14—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems
    • F16L59/16—Arrangements specially adapted to local requirements at flanges, junctions, valves or the like
    • F16L59/18—Arrangements specially adapted to local requirements at flanges, junctions, valves or the like adapted for joints
    • F16L59/20—Arrangements specially adapted to local requirements at flanges, junctions, valves or the like adapted for joints for non-disconnectable joints

Definitions

  • the present invention relates to the production of a thermal insulation envelope covering at least partially the material to be insulated. It applies preferentially, but not limitatively, to the construction of subsea pipelines intended to transport petroleum products. It also applies to the manufacture of thermal insulation covers which are intended in particular, although not exclusively, to be used on such pipes, or on any other kind of material which must contain or receive products which, such as petroleum products retained immersed in the sea, must be kept there at a temperature significantly different from that of the environment.
  • pipes of this type are traditionally mounted from a series of identical pipes, manufactured in the factory, which are transported to the site and that there, they are assembled end to end, by connecting close by close a downstream tube already integrated in the pipeline to an upstream tube to be connected, as they are advanced, to let them plunge into the sea following the tubes already assembled.
  • the pipes are commonly made up each of coaxial steel tubes which form or form, in the running part of the pipe, a thermal insulation envelope around an internal tube delimiting the conduit for circulation of the fluids to be conveyed.
  • French patent application FR-A-2 721 681 (ITP) describes an example of a method for producing a pipe of this type. It specifies how the assembly fittings are formed between two successive pipes, by means of a coupling sleeve which is positioned astride the junction zone and which is glued on either side thereof, on the outer peripheral faces of the end sections of the facing external tubes. The junction zone between two successive pipes, around the end parts of the internal tubes welded end to end, is thus closed and protected in mechanical and thermal continuity with the current parts of the pipes.
  • the pipelines thus produced are not free from drawbacks.
  • the pipes constituting the elementary sections are heavy and expensive by the use of two coaxial steel tubes.
  • the joints between pipes involve welding and the use of various auxiliary parts. This results in a non-negligible increase in the cost price and the high mechanical stresses to be collected.
  • the submarine pipes carrying petroleum products are at cold temperature in the seabed (usually between 0 and 20 ° C), while the fluids conveyed are most often at temperature high (typically between 100 and 200 ° C, according to the usual prescriptions). Even when this temperature decreases during the life of a producing field, the fluid must maintain a minimum temperature (for example 40 ° C) up to the place of destination at the end of the pipeline, in order to avoid the formation of solid condensates.
  • a minimum temperature for example 40 ° C
  • the same imperatives of degree of thermal insulation and durability are found in other applications, in particular in situations where a temperature differential of the same order of magnitude is encountered between the interior and exterior of a enclosure of any shape, one way or the other.
  • the object of the invention is, inter alia, to lead to an insulated pipe which does not have the drawbacks of the known art, while retaining the advantages thereof. It thereby meets the needs which are felt, in particular for applications which require keeping a hot product in an underwater environment for long periods of time, the installation also being subjected to high pressure conditions.
  • the invention results in practice in several forms of implementation, which nevertheless all have in common the implication of a main layer of microporous heat-insulating material with high porosity in open pores which is retained tightly under void between a relatively non-deformable support layer and an outer layer made of a material with elastic deformation and / or plastic.
  • the deformation capacity of the outer layer can be mainly exploited either during the factory manufacture of elementary pipes for continuous pipes, or on site during the installation of the thermal insulation envelope, or even under the action temperature and / or pressure conditions prevailing in the environment from which the material thus insulated must be isolated.
  • the invention has in particular the advantageous consequences of improving the thermal insulation by the combination of the microporous open-pore heat-insulating material with a degree of vacuum which does not need to be pushed, while improving the conditions for resumption of mechanical stresses and stresses, by constant support on the microporous material with open pores that jointly ensure the vacuum created both within the microporous material with open pores and around it and the relative deformation capacity of the outer layer.
  • the invention provides for not using
  • thermal insulation cover which, according to the invention, comprises at least one main layer of microporous heat-insulating material with open pores and an outer layer of a material which will be called elastoplastic here, while the substantially non-deformable support layer is formed directly by the single tube itself.
  • the microporous material with open pores being placed under partial vacuum, it completely fills an annular space which must be sealed.
  • the tight closure can preferably be obtained either simply by virtue of the malleability of the external layer which is conformed to the ends of the envelope until it is fixed glued to said pipe tube, or by means of a relatively non-intermediate piece. deformable which moves the outer layer away from the support tube and avoids the harmful effects of thermal bridges.
  • the layer of open pore microporous heat-insulating material is placed in an envelope made of gas-permeable material, but not to this microporous open-pore material, made for example of a cotton canvas, so facilitate handling during construction of the envelope and vacuuming operations.
  • the desirable mechanical cohesion is then ensured by the retention of the material between the two adjacent layers of the thermal insulation envelope produced.
  • the thermal insulation envelope is produced in an autonomous structure, not subject to the presence of a tube or pipe conduction participating in its constitution.
  • This support layer is then made of a non-elastoplastically deformable material. It forms, with the outer layer of elastoplastic material, a double envelope enclosing the main layer of open pore microporous heat-insulating material, with a seal quality sufficient for vacuuming.
  • the subject of the invention is therefore in particular a heat-insulated pipe with respect to an ambient environment in which determined pressure conditions prevail, capable of constituting in particular an elementary pipe for the construction of underwater pipes.
  • marine vehicles carrying petroleum products characterized in that it comprises a substantially non-deformable internal tube, in particular of metallic material, and a covering envelope, thermally insulating and tightly bonded to said tube, which covers all or part of the periphery of the latter, and which comprises at least one main layer of microporous open-pore heat-insulating material retained clamped under vacuum between said tube forming its underlying support layer and an external layer of elastoplastic deformation material, of composition and thickness determined in such a way as to allow a recovery of mechanical forces and stresses ues due to said determined pressure prevailing in the ambient environment.
  • the subject of the invention is also a cover of a three-dimensional self-supporting structure to be placed in an ambient environment in which determined pressure conditions prevail, intended to constitute a thermal protection envelope in at least partial covering of a material to be insulated, in particular in an underwater environment, which is essentially characterized in that it has its own support layer of relatively non-deformable material to close with an external layer of elastoplastic deformation material, a vacuum space entirely occupied by a main layer consisting of a microporous open pore heat-insulating material, the outer layer having a composition and a thickness determined so as to allow a recovery of the forces and mechanical stresses due to said determined pressure prevailing in the ambient medium.
  • the invention has many advantages, among which the following are mainly noted:
  • the insulation envelope makes it possible to transmit the pressure and shear forces to be supported, through the microporous material with open pores, itself sensitive to the pressure, directly to the support layer forming the other wall, essentially non-elastoplastic, the latter possibly being the internal tube of a pipe, according to the variant embodiments.
  • the elastic deformation capacity of the microporous open pore materials used is low.
  • microporous open pore heat-insulating material under partial vacuum has a double advantage. This allows the dimensional stability of the insulating jacket to be maintained during handling operations after construction. This also makes it possible to significantly increase the thermal insulation efficiency of the microporous material with open pores, this in a ratio which is equal to two for a pressure reduced to 0.1 bars (10 Pa) for example.
  • FIG. 1b is a detail figure illustrating more precisely one of the layers of the insulating covering envelope
  • Figure 2a schematically illustrates an alternative embodiment of the pipe and its insulating cover according to Figure 1
  • Figure 2b is an enlarged detail of one end of an elementary pipe pipe according to Figure 2a
  • FIG. 2c illustrates a particular procedure for producing the outer layer of one pipe cover envelope illustrated in Figure 2a;
  • FIG. 3a schematically illustrates a second embodiment of a cover constituting an insulating envelope according to the invention;
  • Figure 3b is a sectional view through the thickness of the insulating blanket of Figure 3a;
  • Figure 4a schematically illustrates a thermal protection structure according to the invention which constitutes an alternative embodiment with respect to Figures 3a and 3b;
  • FIG. 4b illustrates, in cross-section in cross section, a pipe resting on the ground and provided with the insulating cover envelope according to FIG. 4a.
  • FIG. 1a illustrates a first example of implementation of the invention in the context of its application to the production of elementary pipes prefabricated in the factory or terminated on site for assembly into an underwater pipeline for petroleum products.
  • the elementary pipe 1 is a cylindrical steel tube, 12 or 24 m long, typically with a diameter of 300 mm and a wall thickness of 13 mm.
  • Figure la there are shown two such butted tubes, 10 and 11, which are arranged substantially in line, on an axis common, and which, in a conventional manner are welded together, at their junction 100, by their radial end faces.
  • a single tube is used, as regards the main metallic structural components of the pipeline, and no longer two coaxial tubes as in the known art according to the teaching of the application FR-A-2,721,681 cited above.
  • the single said internal tube for example 10, is surrounded by thermal insulating means, which constitute with and on it a covering envelope.
  • thermal insulating means which constitute with and on it a covering envelope.
  • the latter provides a very good thermal insulation power, resistant in longevity despite the mechanical and thermal constraints, between the external environment and the interior of the tube 10, as well as good sealing.
  • the other tubes of the pipe for example the tube 11
  • this cover comprises two main layers of material, 2 and 3.
  • the external layer 2 subjected directly to the external environment and in particular to the high pressure which reigns there, constitutes here the so-called cold wall of the envelope, because it is intended to withstand permanent contact with the external environment of the bottoms under - sailors.
  • an elastoplastic material By this is meant a material, generally of an organic nature, which is known to be capable of malleability generating a permanent effect by its elastic or plastic deformation.
  • the main layer 3 is constituted by a microporous heat-insulating material, with a high structure WO 98/34061 "
  • porosity in open pores such as those offered commercially for other uses.
  • the core 30 of the layer 3 is retained in an envelope 31 made of a nonwoven cotton fabric, which while being permeable to gases, does not allow particles of microporous material with open pores to pass through.
  • the material of the outer closure layer 2 is chosen to have sufficient elasto-plastic properties so that the the forces exerted on it are transmitted without difficulty to the other face of the covering by means of the microporous material with open pores constituting the core of the envelope 3.
  • plastic material based on polyolefin resins, such as polyethylene, or vulcanized rubber.
  • the thickness of the layer 2 is sufficient to obtain the recovery of the abovementioned forces, that is to say to be able to transmit the pressure and shear forces supported to the support layer (the internal pipe 10 in the example described), via the layer of heat-insulating material 3, without risk of deterioration of the material constituting it and of degradation of the quality of thermal insulation.
  • the thickness of the necessary external layer naturally depends on many parameters, in particular on the composition of the material of this layer, that is to say first of all its elastoplastic characteristics, of the maximum pressure prevailing in the ambient medium and the diameter of the pipeline. In the preferred application, for conventional immersion depths and for pipe diameters which have been WO 98/34061 -j -J PCT / FR98 / 00170
  • the thickness of layer 2 is typically in the range of 10 to 30 mm.
  • a particularly suitable material for this is represented by plates or strips of microporous insulation based on a ceramic material, and preferably based on silica, as they exist in commerce, where they are produced in particular by the company " Micropore International Ltd "under the brand name” Microtherm ".
  • the material of these plates or strips is made of a mixture of silica powder and ceramic reinforcing fibers, the whole compacted into a coherent three-dimensional structure of fine particles which is retained in an impermeable envelope.
  • the latter is commonly made of a fabric of mineral fibers linked in a network of nonwoven cross fibers, in particular of glass fibers, but it will be more economical for the invention to prefer a cotton fabric, including here the case of cotton fibers tied together without real weaving.
  • silica microporous structure (without taking its envelope into account), a mixture, the major part of which is formed of silica, but which also contains a minor part of titanium.
  • the proportion of titanium dioxide can, for example, exceed 20% by weight of the total weight, until reaching approximately 30 to 35% by weight for 60 to 70% by weight.
  • silica if we neglect the minor parts of other mineral oxides which represent in total less than 5% by weight.
  • These materials are also advantageous in the context of the present invention in that they are characterized by an open porosity and a pore diameter less than or at most equal to 0.1 micrometer.
  • the porosity is said to be open when the open pores in communication with each other represent almost all of the pores that the microporous structure comprises, ie in practice of the order of 85 to 95% in volume of the overall pore volume, which is itself of the order of 80% of the apparent volume.
  • the present invention leads to further improving their performance by exploiting the fact that the pores are open to create a partial vacuum all within the material.
  • a partial vacuum preferably resulting in a reduced pressure of between 0.5 millibar and 100 millibars (50 Pa to 10 4 Pa).
  • the increase in the average free path of the gaseous molecules which results therefrom it is possible to increase the insulating power by a factor ranging from 2 to 10, according to the value of reduced pressure chosen and according to the thermal conditions in positioning.
  • the residual gas residual atmosphere under vacuum can be air or any other gas, argon in particular.
  • the tube itself for example the tube 10
  • the support layer of the thermal insulation envelope which can be said here in the hot wall of the made of the environment of use, the so-called cold wall being constituted by the external elasto-plastic layer 2, the latter being exposed to the ambient environment in which low temperature conditions prevail (hence a significant temperature differential compared fluid circulating in the pipeline) and high pressure.
  • the protection and the insulation of the welded joint 100, formed at the connection of the tubes 10 and 11, can be carried out in a conventional manner, using a sleeve 40 threaded on the external wall of the pipe 1, that is to say here say the outer layer 2, and by filling the interior volume with an insulating filling material 41, as can be obtained by a polymerizable resin injected and hardened on site in a sleeve 40 made of plastic. It is however largely preferable, in application of the invention, to provide mechanical and thermal continuity at the junction between two successive elementary pipes, by a fitting formed at least in part, on the outside of the pipe, by means of a self-supporting structure of thermal insulation cover such as that which will be described later.
  • the wall 2 of elastoplastic material is directly fixed to the external wall of the tube 10, for example by gluing. This ensures the sealing the space between the two boundary walls of the envelope and preserving the partial vacuum created in the microporous open pore material of the main layer 3.
  • the layer 2 therefore comprises a main cylindrical wall 20 extending over most of the length of an elementary tube 10, and at the two ends of the frustoconical connections 21, extended by a portion of new cylindrical 22, matching the external wall of the tube 10 and glued to it.
  • the total length of layer 2, cylindrical wall 20 and end fittings 21-22 included, is slightly less than the length of a tube 10.
  • this is the case of an application to the production of an underwater pipeline which must offer a service life of the order of 20 years, or even more, in severe pressure and temperature conditions that have already been mentioned, while in addition that the annular space between the internal metal tube constituting the relatively non-deformable support layer and the outer elasto-plastic protective layer is completely occupied by the heat-insulating material to open micropores within which there is only residual pressure.
  • the invention therefore provides for integrating a sealing film with the elastoplastic layer, and preferably for embedding a sealing film (in particular in aluminum or aluminum alloy for reasons of cost and flexibility) in the very thickness of the elastic layer plastic.
  • a sealing film in particular in aluminum or aluminum alloy for reasons of cost and flexibility
  • the latter is advantageously made of a material of a synthetic nature, therefore based on polymeric resins, belonging in particular to the family of polyolefins such as polyethylene or polypropylene, and more particularly based on polyethylene.
  • a laminate comprising several films interposed with several sheets of elasto-plastic layer would also be suitable, with the disadvantage of an often higher cost.
  • the elastoplastic material is bonded by surface fusion with the coating of the sealing film when, in particular, a sheet of elastoplastic material is applied, close in close along the pipe, in the form of a strip of extruded material spirally winding around the heat-insulating material over a sealing film previously coated.
  • the step of partial vacuum and the step of bonding the elastoplastic layer can be carried out in the factory, during the manufacture of the pipes constituting the elementary modules of the pipeline.
  • the steps of welding and making the junctions 4 are carried out on site, the pipe 1 being built as one goes along and put into the water. In themselves, these operations are conventional and they have been described, for example, in the patent application.
  • FIG. 2a illustrates such an arrangement.
  • the end seal is produced by using two metal members 5, of cylindro-conical shape with small opening, which are placed at each end of the tube 10.
  • These members indeed comprise a cylindrical external zone 51, which extends by a conical end zone 50 whose circular opening 54 has a diameter equal to or slightly greater than the external diameter of the tube 10.
  • the wall 2 ' is glued to the metal of the cylindrical zone 51.
  • the conical zone 50 is welded , in its opening 54, on the external wall of the tube 10.
  • the cylindrical zone 51 is provided with one or more annular grooves, for example two, referenced 52 and 53 as shown in detail in FIG. 2b.
  • These grooves 52 and 53 will make it possible to ligate by a band 6a and / or to encircle by a strapping 6b, the layer 2 ′ of elastoplastic material, so as to fix it firmly bound to the intermediate member 5 and to prevent 1 the seal itself does not transmit shear forces.
  • the element 2 or 2 ′ made of elastoplastic material, can be produced from elastic bands which are wound tightly in a spiral and hardened on the spot by vulcanization if it is rubber, or with elastic bands already hardened or vulcanized which are wound and glued in a spiral.
  • FIG. 2c schematically illustrates, in cutaway, a section of pipe 1 produced according to this operating mode. It is clearly seen in this figure 2c the spiral winding of the strip b constituting the layer 2. A rate of recovery from one turn to another (dotted lines in the figure) is provided sufficient for a bonding ensuring 1 ' vacuum tightness.
  • the outer layer can also be produced simply by a cylindrical pipe made of elastoplastic material, of a diameter sufficient to allow it to be placed around the microporous material with open pores by threading one into the other. In a subsequent step, the diameter (shrunk) of the pipe is reduced by heating it under pressure so that it contracts. Provided that the material still has thermosetting properties, the shrinkage is definitive in compression of the microporous open-pore heat-insulating material. It is also possible to proceed directly by extrusion.
  • Partial vacuuming of the microporous material with open pores can be carried out in different ways, using a conventional apparatus per se, depending on the type of external layer used (external spiral layer, etc.).
  • the physical characteristic "open pores" presented by the heat-insulating material is a very important characteristic because it allows the creation of a partial vacuum within the material, step by step.
  • the operation of shrinking the outer layer is then advantageously concomitant with the evacuation, and progressive along the pipe.
  • a second embodiment of pipes according to the invention is illustrated in Figures 3a to 4b.
  • the insulating and waterproof cover, here referenced 7 is in the form of a strip of great length, typically from a few tens of meters to several kilometers.
  • the elements common to the previous figures have the same references and will only be re-described as necessary.
  • the strip 7 consists of a double envelope, comprising an external wall known as cold, quite similar to the corresponding layer 2 of FIGS. 1a to 2c, made of elastoplastic material, and an internal wall 8 known as hot (see FIG. 3b , in section AA of FIG. 3a), made of non-elastoplastic material.
  • This non-elastic material is chosen to exhibit characteristics of potential elongation, under the conditions of use (that is to say in the context of a given specific application), much less than the maximum elastic elongation of the material. microporous with open pores.
  • a metal such as a steel strip is suitable for this purpose, as well as a rigid plastic material, for example based on polyolefin resins embedding a frame of mineral fibers.
  • the additional layer 8 must be sealed so that the partial vacuum created in the layer of microporous material with open pores is maintained.
  • FIG. 3a and 3b schematically illustrate a first alternative embodiment of the cover according to this second embodiment of the invention. More precise, FIG. 3b is a cross-section through the thickness of the cover according to "AA" in FIG. 3a.
  • the strip 7 comprises a first layer 2 trapping the layer 3 by lateral, 23-24, or end zones, 26, glued to the lower layer 8, made of non-elastic material.
  • the layer 3 of microporous material with open pores is quite similar to the layer 2 previously described with reference to Figures la to 2a.
  • the cover 7 is subdivided into elementary cover plates, 7a, 7b, 7c to 7x
  • the strip 7 comprises zones for separating the elementary plates 25, in which the layer 2, made of elastoplastic material, is bonded to the lower layer 8, made of non-elastic material.
  • the laying of the strip 7 can be carried out by spiral winding around tubes (not shown in these figures) which are abutted to form the overall pipe.
  • the holding in place can also be carried out by bonding during the vulcanization of rubber constituting the elastoplastic material.
  • the strip can be placed astride the pipe, when the latter is already deposited at the bottom of the water or, more generally, on a given support soil, whether it is underwater or terrestrial.
  • FIGS 4a and 4b illustrate this alternative embodiment.
  • the strip proper here referenced 7 ', has a configuration similar to the strip 7 of Figures 3a and 3b. It is particularly advantageous to provide, as before, a partition of the strip into modules, of which only four have been shown, 7 'a to 7'd.
  • FIG 4b section “BB” of Figure 4a, illustrates the installation of the cover 7 ', straddling the pipe 1, having a section in " ⁇ ".
  • Line 1 is assumed to have been placed beforehand on support S. However, in order for this strip 7 ′ to remain in place, it is useful to ballast it. To do this, one can provide, in a variant not shown, chains attached laterally to the strip 7 'forming a cover.
  • two lateral zones, 9a and 9b are advantageously provided, constituted by ballast pockets, 90a and 90b. These zones surround the bonding zones 23 and 24. They are filled with heavy material, or form, for example, sandbags.
  • the cover of the invention has the main advantage of being able to be produced over large, even very long lengths, and be wound on a drum to be simply launched by unrolling drum on board a laying boat.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Insulation (AREA)

Abstract

Une canalisation sous-marine réalisée suivant l'invention peut notamment comprendre un tube métallique unique (10) et une enveloppe de couverture isolante thermiquement et étanche. L'enveloppe de couverture comprend au moins une couche externe (2), en contact avec l'environnement extérieur, constituée en une matière à déformation élasto-plastique, et une couche principale (3), en matériau calorifuge microporeux à haute porosité en pores ouverts, retenue serrée sous vide sur une couche support relativement non déformable, par exemple constituée par le tube métallique unique. Selon un autre mode de réalisation, la couche support est en une matière non élastique de manière à constituer une enveloppe autonome à mettre en place sur site.

Description

ENVELOPPE D'ISOLATION THERMIQUE, NOTAMMENT POUR LA
CONSTRUCTION DE CANALISATIONS SOUS-MARINES
VEHICULANT DES PRODUITS PETROLIERS
La présente invention concerne la réalisation d'une enveloppe d'isolation thermique venant en recouvrement au moins partiel de matériels à calorifuger. Elle s'applique de manière préférentielle, mais non limitative, à la construction de canalisations sous-marines destinées à véhiculer des produits pétroliers. Elle s'applique aussi à la fabrication de couvertures d'isolation thermique qui sont destinées notamment, bien que non exclusivement, à servir sur de telles canalisations, ou sur toute autre genre de matériel devant contenir ou recevoir des produits qui, comme les produits pétroliers retenus immergés en mer, doivent y être maintenus à une température sensiblement différente de celle de 1 ' environnement .
Si, pour fixer les idées, on se place dans le cadre de l'application préférée de l'invention, à savoir des canalisations sous-marines destinées à véhiculer des produits pétroliers, sous forme de gaz ou d'hydrocarbures liquides maintenus chauds pendant leur transport, il convient de rappeler que les canalisations de ce type sont traditionnellement montées à partir d'une série de tuyaux identiques, fabriqués en usine, que l'on transporte sur le site et que là, on assemble bout à bout, en raccordant de proche en proche un tube aval déjà intégré dans la canalisation à un tube amont à raccorder, au fur et à mesure qu'on les fait progresser, pour les laisser plonger dans la mer à la suite des tubes déjà assemblés.
Les tuyaux sont couramment constitués chacun de tubes en acier coaxiaux qui forment ou ménagent, en partie courante du tuyau, une enveloppe d'isolation thermique autour d'un tube interne délimitant le conduit de circulation des fluides à véhiculer. La demande de brevet français FR-A-2 721 681 (ITP) décrit un exemple de procédé de réalisation d'une conduite de ce type. Elle précise comment sont constitués les raccords d'assemblage entre deux tuyaux successifs, au moyen d'un manchon d'accouplement qui se dispose à cheval sur la zone de jonction et qui est collé, de part et d'autre de celle-ci, sur les faces périphériques externes des tronçons d'extrémité des tubes externes en vis-à-vis. La zone de jonction entre deux tuyaux successifs, autour des parties terminales des tubes internes soudés bout à bout, est ainsi fermée et protégée en continuité mécanique et thermique avec les parties courantes des tuyaux.
Les canalisations ainsi réalisées ne sont pas exemptes d'inconvénients. Tout d'abord, les tuyaux constituant les tronçons élémentaires sont lourds et chers par l'emploi de deux tubes coaxiaux en acier. En outre, les jonctions entre tuyaux impliquent des soudures et l'utilisation de diverses pièces auxiliaires. Il en résulte une augmentation non négligeable du coût de revient et des contraintes mécaniques élevées à encaisser.
Il est donc apparu souhaitable de disposer d'une technologie de réalisation d'enveloppes d'isolation thermique permettant de réduire substantiellement le prix de revient, tout en conservant des caractéristiques techniques avantageuses, en tenue mécanique par exemple, telles qu'elles sont requises pour ce type d'application.
En particulier, il est impératif de conserver une bonne isolation thermique du tube intérieur guidant le fluide, ce quelle que soit la structure globale de la canalisation. En effet, et à titre d'exemple, les canalisations sous-marines véhiculant des produits pétroliers se trouvent à température froide dans les fonds marins (habituellement entre 0 et 20 °C) , alors que les fluides véhiculés se présentent le plus souvent à température élevée (comprises typiquement entre 100 et 200 °C, suivant les prescriptions usuelles) . Même lorsque cette température diminue au cours de la vie d'un champ producteur, le fluide doit conserver une température minimale (par exemple 40 °C) jusqu'au lieu de destination en bout de la canalisation, afin d'éviter la formation de condensâts solides.
D'autre part, les distances à parcourir sont considérables. Elles se chiffrent en dizaines de kilomètres. La qualité d'isolation thermique doit en plus perdurer pendant de longues années d'utilisation des canalisations. Parmi d'autres impératifs de la pratique, on peut souligner que cette capacité d'isolation thermique ne doit pas souffrir des opérations d'assemblage des canalisations au cours desquelles des tubes successifs sont raccordés bout à bout, ni des opérations de mise en place d'une canalisation ainsi formée, progressivement plongée dans la mer, ni encore des conditions de transport entre une usine de fabrication des tubes et le site de pose de la canalisation.
D'autres difficultés sont liées aux conditions de fabrication des tuyaux, aux tolérances dimensionnelles inévitables pour les tubes, compte tenu de leur nature (généralement de l'acier) et de leur diamètre (généralement compris entre 100 et 700 millimètres) , et à la réalisation des étanchéités . L'une des solutions qui a été proposée à l'industrie pétrolière consiste à créer le vide dans l'espace annulaire entre les deux tubes coaxiaux d'un tuyau à double enveloppe, mais il est alors nécessaire d'assurer un degré de vide très poussé. On comprend que, dans ce cas, la réalisation des étanchéités soit particulièrement délicate, et que tant le degré de vide que l'épaisseur sous vide nécessaire grèvent lourdement le coût des tubes.
Les mêmes impératifs de degré d'isolation thermique et de durabilité se retrouvent dans d'autres applications, en particulier dans des situations où l'on rencontre un différentiel de température de même ordre de grandeur entre l'intérieur et l'extérieur d'une enceinte de forme quelconque, et ce dans un sens ou dans l'autre. L'invention se fixe entre autres pour objet de conduire à une canalisation calorifugée qui ne présente pas les inconvénients de l'art connu, tout en en conservant les avantages . Elle répond par là aux besoins qui se font sentir notamment pour les applications qui demandent de maintenir un produit chaud dans un environnement sous-marin pendant de longues durées, l'installation étant soumise en outre à des conditions de pression élevées .
Dans le contexte exposé ci-dessus, l'invention se traduit en pratique par plusieurs formes de mise en oeuvre, qui ont néanmoins toutes en commun d'impliquer une couche principale de matériau calorifuge microporeux à haute porosité en pores ouverts qui est retenue serrée sous vide entre une couche support relativement non déformable et une couche externe faite d'une matière à déformation élastique et/ou plastique.
La capacité de déformation de la couche externe peut être principalement exploitée soit lors de la fabrication en usine de tuyaux élémentaires pour canalisations continues, soit sur site lors de la mise en place de l'enveloppe d'isolation thermique, soit encore sous l'action des conditions de température et/ou pression régnant dans 1 ' environnement dont le matériel ainsi calorifuge doit être isolé. Dans tous les cas, l'invention a notamment pour conséquences avantageuses, d'améliorer l'isolation thermique par la combinaison du matériau calorifuge microporeux à pores ouverts avec un degré de vide qui n'a pas besoin d'être poussé, tout en améliorant les conditions de reprise des efforts et contraintes mécaniques, par un appui constant sur le matériau microporeux à pores ouverts qu'assurent conjointement le vide créé tant au sein du matériau microporeux à pores ouverts qu'autour de lui et la capacité de déformation relative de la couche externe.
Dans un premier mode de réalisation et suivant l'une de ses caractéristiques, l'invention prévoit de n'utiliser
1 ' acier que pour un tube métallique unique de canalisation correspondant au tube interne d'un tuyau à double enveloppe. Pour assurer 1 ' isolation de ce tube véhiculant le fluide à transporter, on prévoit alors avantageusement de former tout autour de lui une enveloppe en couverture d'isolation thermique qui, suivant l'invention, comprend au moins une couche principale de matériau calorifuge microporeux à pores ouverts et une couche externe en un matériau que l'on appelera ici élasto-plastique, cependant que la couche support sensiblement non déformable est constituée directement par le tube unique lui-même.
Le matériau microporeux à pores ouverts étant placé sous vide partiel, il remplit intégralement un espace annulaire qui se doit d'être étanche . La fermeture étanche peut être préférentiellement obtenue soit simplement grâce à la malléabilité de la couche externe que l'on conforme aux extrémités de l'enveloppe jusqu'à la fixer collée sur ledit tube de canalisation, soit au moyen d'une pièce intermédiaire relativement non déformable qui éloigne la couche externe du tube support et évite les effets néfastes des ponts thermiques.
Dans une variante préférée de l'invention, la couche de matériau calorifuge microporeux à pores ouverts est placée dans une enveloppe en matériau perméable aux gaz, mais non à ce matériau microporeux à pores ouverts, réalisée par exemple en une toile de coton, de façon à faciliter la manutention lors de la construction de 1 ' enveloppe et des opérations de mise sous vide. La cohésion mécanique souhaitable est ensuite assurée par la rétention du matériau entre les deux couches limitrophes de 1 ' enveloppe d'isolation thermique réalisée.
Suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe d'isolation thermique est réalisée en une structure autonome, non assujettie à la présence d'un tube ou conduite de canalisation participant à sa constitution. Dans ce cas, on prévoit avantageusement de lui faire comporter une troisième couche qui forme la couche support en remplacement du tube de canalisation ci-dessus. Cette couche support est alors constituée en une matière non élasto-plastiquement déformable. Elle forme, avec la couche externe en matériau élasto-plastique, une double enveloppe enfermant la couche principale en matériau calorifuge microporeux à pores ouverts, avec une qualité de fermeture étanche suffisante à la mise sous vide.
En produit fini commercialisable, l'invention a donc en particulier pour objet une conduite calorifugée vis-à-vis d'un milieu ambiant dans lequel régnent des conditions de pression déterminées, apte à constituer notamment un tuyau élémentaire pour la construction de canalisations sous- marines véhiculant des produits pétroliers, caractérisée en ce quelle comprend un tube interne sensiblement non déformable, notamment en matière de nature métallique, et une enveloppe de couverture, isolante thermiquement et liée de manière étanche audit tube, qui recouvre tout ou partie de la périphérie de ce dernier, et qui comprend au moins une couche principale de matériau calorifuge microporeux à pores ouverts retenue serrée sous vide entre ledit tube formant sa couche support sous-jacente et une couche externe en matière à déformation élasto-plastique, de composition et d'épaisseur déterminées de manière à permettre une reprise des efforts et des contraintes mécaniques dues à ladite pression déterminée régnant dans le milieu ambiant.
L'invention a aussi pour objet une couverture de structure tridimensionnelle auto-portante à placer dans un milieu ambiant dans lequel régnent des conditions de pression déterminées, destinée à constituer enveloppe de protection thermique en recouvrement au moins partiel d'un matériel à calorifuger, notamment dans un environnement sous-marin, qui se caractérise essentiellement en ce qu'elle comporte sa propre couche support en matière relativement non déformable pour fermer avec une couche externe en matière à déformation élasto-plastique, un espace sous vide entièrement occupé par une couche principale constituée par un matériau calorifuge microporeux à pores ouverts, la couche externe ayant une composition et une épaisseur déterminées de manière à permettre une reprise des efforts et des contraintes mécaniques dues à ladite pression déterminée régant dans le milieu ambiant.
L'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels on notera principalement les suivants :
Par le caractère élasto-plastique de la couche formant sa paroi externe, l'enveloppe d'isolation permet de transmettre les efforts de pression et cisaillement à supporter, au travers du matériau microporeux à pores ouverts, lui-même sensible à la pression, directement à la couche support formant l'autre paroi, essentiellement non élasto-plastique, cette dernière étant éventuellement le tube interne d'une canalisation, selon les variantes de réalisation. En effet, la capacité de déformation élastique des matériaux microporeux à pores ouverts utilisés est faible.
Le fait de placer le matériau calorifuge microporeux à pores ouverts sous vide partiel présente un intérêt double. Cela permet de maintenir la stabilité dimensionnelle de 1 ' enveloppe isolante lors des opérations de manutention après construction. Cela permet également d'augmenter notablement l'efficacité d'isolation thermique du matériau microporeux à pores ouverts, ce dans un rapport qui est égal à deux pour une pression réduite à 0,1 bars (10 Pa) par exemple .
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit et qui fait référence aux figures annexées, parmi lesquelles : la figure la illustre schématiquement un exemple de tuyau intégrant une enveloppe de couverture isolante, propre à constituer un tronçon élémentaire pour une canalisation calorifugée suivant un premier mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure lb est une figure de détail illustrant plus précisément l'une des couches de l'enveloppe de couverture isolante ; la figure 2a illustre schématiquement une variante de réalisation de la canalisation et de sa couverture isolante selon la figure 1; la figure 2b est un détail agrandi de 1 ' extrémité d'un tuyau élémentaire de canalisation suivant la figure 2a
- la figure 2c illustre un mode opératoire particulier pour réaliser la couche externe de 1 ' enveloppe de couverture de canalisation illustrée par la figure 2a ; la figure 3a illustre schématiquement un second mode de réalisation d'une couverture constituant enveloppe isolante selon 1 ' invention ; la figure 3b est une vue en coupe à travers l'épaisseur de la couverture isolante de la figure 3a ; la figure 4a illustre schématiquement une structure de protection thermique suivant l'invention qui constitue une variante de réalisation par rapport aux figures 3a et 3b ; et la figure 4b illustre, en coupe de section droite, une canalisation reposant au sol et munie de la l'enveloppe de couverture isolante selon la figure 4a.
La figure la illustre un premier exemple de mise en oeuvre de 1 ' invention dans le cadre de son application à la réalisation de tuyaux élémentaires préfabriqués en usine ou terminés sur site pour assemblage en une canalisation sous- marine pour produits pétroliers .
Le tuyau élémentaire 1 est un tube cylindrique en acier, de 12 ou 24 m de long, typiquement sous un diamètre de 300 mm et une épaisseur de paroi de 13 mm. Sur la figure la, on a représenté deux tels tubes aboutés, 10 et 11, qui se disposent sensiblement en ligne, sur un axe commun , et qui, de façon classique sont soudés entre eux, à leur jonction 100, par leurs faces radiales terminales.
Selon une première caractéristique importante de l'invention, on utilise, pour ce qui est des principaux éléments constitutifs métalliques structurels de la canalisation, un tube unique, et non plus deux tubes coaxiaux comme dans 1 ' art connu selon 1 ' enseignement de la demande de brevet FR-A-2 721 681 précitée.
Selon une autre caractéristique importante de l'invention, le tube unique dit interne, par exemple 10, est entouré de moyens isolants thermiques, qui constituent avec et sur lui une enveloppe de couverture . Cette dernière assure un très bon pouvoir d'isolation thermique, résistant en longévité malgré les contraintes mécaniques et thermiques, entre l'environnement extérieur et l'intérieur du tube 10, ainsi qu'une bonne étanchéité. On doit bien comprendre que les autres tubes de la canalisation (par exemple le tube 11) sont également munis d'une telle enveloppe ou couverture de protection.
Selon un premier mode de réalisation, cette couverture comporte deux couches principales de matériau, 2 et 3.
La couche externe 2, soumise directement à 1 ' environnement extérieur et notamment à la pression élevée qui y règne, constitue ici la paroi dite froide de l'enveloppe, car elle est prévue pour supporter en permanence le contact avec le milieu extérieur des fonds sous-marins. Elle est constituée suivant l'invention, en un matériau élasto-plastique. On entend par là une matière, généralement de nature organique, que l'on sait susceptible d'une malléabilité engendrant un effet permanent par sa déformation élastique ou plastique.
La couche principale 3 est constituée par un matériau calorifuge microporeux, à structure à haute WO 98/34061 «| Q PCT/FR98/00170
porosité en pores ouverts, tels que ceux qui sont proposés commercialement pour d'autres usages.
En réalité, comme le montre la figure de détail lb, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le coeur 30 de la couche 3 est retenu dans une enveloppe 31 faite d'une toile non tissée de coton, qui tout en étant perméable aux gaz, ne se laisse pas traverser par les particules du matériau microporeux à pores ouverts .
Dans 1 ' application préférée dans laquelle on s ' est placé ici, à savoir celui d'une canalisation sous-marine de produits pétroliers, la matière de la couche de fermeture extérieure 2 est choisie pour posséder des propriétés élasto-plastiques suffisantes pour que les efforts s ' exerçant sur elle soient transmis sans difficulté à 1 ' autre face de la couverture par 1 ' intermédiaire du matériau microporeux à pores ouverts constituant le coeur de 1 ' enveloppe 3.
Pour fixer les idées, on peut utiliser une matière plastique à base de résines de polyoléfines, telles le polyéthylène, ou du caoutchouc vulcanisé.
En outre, il est nécessaire que l'épaisseur de la couche 2 soit suffisante pour obtenir la reprise des efforts précitée, c'est-à-dire pouvoir transmettre les efforts de pression et de cisaillement supportés à la couche support (le tuyau interne 10 dans l'exemple décrit), via la couche de matériau calorifuge 3, ce sans risque de détérioration du matériau la constituant et de dégradation de la qualité d'isolation thermique. L'épaisseur de la couche externe nécessaire dépend naturellement de nombreux paramètres, en particulier de la composition du matériau de cette couche, c'est à dire en premier lieu de ses caractéristiques élasto- plastiques, de la pression maximale régnant dans le milieu ambiant et du diamètre de la canalisation. Dans l'application préférée, pour des profondeurs d'immersion classiques et pour les diamètres de canalisation qui ont été WO 98/34061 -j -J PCT/FR98/00170
rappelés, l'épaisseur de la couche 2 est typiquement comprise dans la gamme de 10 à 30 mm.
Avant de continuer la description de la structure de la conduite 1, il est utile de préciser la nature du matériau calorifuge microporeux à pores ouverts constituant la couche principale 30.
Un matériau particulièrement approprié pour cela est représenté par des plaques ou bandes d'isolant microporeux à base d'une matière céramique, et préférentiellement à base de silice, telles qu'elles existent dans le commerce, où elles sont produites notamment par la société "Micropore International Ltd" sous la marque "Microtherm" .
Le matériau de ces plaques ou bandes est fait d'un mélange de poudre silicique et de fibres de renforcement céramiques, le tout compacté en une structure tridimensionnelle cohérente de fines particules qui est retenue dans une enveloppe non étanche. Cette dernière est couramment constituée d'un tissu de fibres minérales liées en un réseau de fibres croisées non tissées, notamment en fibres de verre, mais il sera plus économique de préférer pour l'invention un tissu de coton, en englobant ici le cas de fibres de coton liées ensemble sans véritable tissage.
Du point de vue chimique, il s'agit, du moins pour la structure microporeuse silicique (sans tenir compte de son enveloppe) , d'un mélange dont la majeure partie est formée de silice, mais qui contient aussi une mineure partie de dioxyde de titane.
Dans un tel matériau à base de gel de silice pyrogéné, la proportion de dioxyde de titane peut, par exemple, dépasser 20 % en poids du poids total, jusqu'à atteindre environ 30 à 35 % en poids pour 60 à 70 % en poids de silice, si l'on néglige les parts mineures d'autres oxydes minéraux qui représentent au total moins de 5 % en poids . Ces matériaux sont également avantageux dans le cadre de la présente invention par le fait qu'ils se caractérisent par une porosité ouverte et un diamètre de pores inférieur ou, au plus, égal à 0,1 micromètre. Dans le langage du métier utilisé ici, la porosité est dite ouverte quand les pores ouverts en communication les uns avec les autres représentent la quasi-totalité des pores que la structure microporeuse comporte, soit en pratique de l'ordre de 85 à 95 % en volume du volume global des pores, qui est lui-même de l'ordre de 80 % du volume apparent.
Toutes les applications qui ont été recommandées à ce jour pour les matériaux microporeux essentiellement constitués de particules siliciques, notamment de gel de silice pyrogéné, exploitent le fait que le diamètre des pores ouverts est inférieur au libre parcours moyen des molécules d'air, ce qui assure pour l'essentiel une capacité d'isolation thermique bien supérieure à celle de matériaux plus traditionnels, en particulier de ceux qui sont fabriqués de sorte à ménager principalement des pores fermés. A titre d'exemple non limitatif, dans l'application préférée de l'invention ayant trait aux canalisations sous- marines, la demande de brevet européen EP-A-0 220 122
(Hutchinson) divulgue l'utilisation d'un matériau calorifuge à pores fermés.
A l'inverse de ces applications connues, selon une variante préférée, la présente invention conduit à améliorer encore leurs performances en exploitant le fait que les pores sont ouverts pour créer un vide partiel tout au sein du matériau. Dans le même temps, il découle de l'invention que l'on peut se contenter d'un vide partiel, se traduisant préférentiellement par une pression réduite comprise entre 0,5 millibar et 100 millibars (50 Pa à 104 Pa) .
Par, entre autres, l'augmentation du libre parcours moyen des molécules gazeuses qui en résulte, on parvient à augmenter le pouvoir isolant d'un facteur allant de 2 à 10, suivant la valeur de pression réduite choisie et suivant les conditions thermiques en positionnement. L'atmosphère rémanente en gaz résiduel sous vide peut être l'air ou tout autre gaz , 1 ' argon notamment .
Si on se reporte de nouveau à la figure la, on peut assimiler le tube lui-même, par exemple le tube 10, à la couche support de l'enveloppe d'isolation thermique, que 1 ' on peut dire ici en paroi chaude du fait de l'environnement d'utilisation, la paroi dite froide étant constituée par la couche élasto-plastique externe 2, cette dernière étant exposée au milieu ambiant dans lequel règne des conditions de température basse (d'où un différentiel de température important par rapport au fluide circulant dans la canalisation) et de pression élevée.
Dans ce cas, la protection et le calorifugeage du joint soudé 100, formé au raccordement des tubes 10 et 11, peuvent s'effectuer de façon classique, en utilisant un manchon 40 enfilé sur la paroi extérieure du tuyau 1, c'est- à-dire ici la couche externe 2, et en comblant le volume intérieur à l'aide d'un matériau de remplissage 41 isolant, comme cela peut être obtenu par une résine polymerisable injectée et durcie sur place dans un manchon 40 en matière plastique. Il est toutefois largement préférable, en application de l'invention, de réaliser la continuité mécanique et thermique à la jonction entre deux tuyaux élémentaires successifs, par un raccord formé au moins en partie, du côté extérieur de la canalisation, au moyen d'une structure auto-portante de couverture d'isolation thermique telle que celle qui sera décrite plus loin.
Si la matière élasto-plastique constituant la couche externe 2 dans la partie courante de chaque tuyau élémentaire de canalisation présente une tenue en température compatible avec la température régnant à la surface du tube métallique 10, c'est-à-dire sensiblement celle du fluide véhiculé, la paroi 2 en matière élasto- plastique est directement fixée sur la paroi externe du tube 10, par exemple par collage. On assure ainsi la fermeture étanche de 1 ' espace compris entre les deux parois limitrophes de l'enveloppe et l'on préserve le vide partiel créé dans le matériau microporeux à pores ouverts de la couche principale 3.
La couche 2 comprend donc une paroi cylindrique principale 20 s ' étendant sur l'essentiel de la longueur d'un tube élémentaire 10, et aux deux extrémités des raccords tronconiques 21, prolongés par une partie de nouveau cylindrique 22, épousant la paroi externe du tube 10 et collée sur celui-ci. La longueur totale de la couche 2, paroi cylindrique 20 et raccords d'extrémité 21-22 compris, est légèrement inférieure à la longueur d'un tube 10.
Il se trouve des situations où l'étanchéité apportée par le matériau de la couche élasto-plastique lui-même peut se révéler insuffisante au cours du temps. Il est alors avantageux de combiner cette couche avec un ou plusieurs films assurant une meilleure étanchéité, notamment aux gaz, tels que l'on en connaît notamment de nature métallique, céramique ou polymérique.
Dans un mode de réalisation particulier répondant à l'invention, c'est le cas d'une application à la réalisation d'une canalisation sous-marine devant offrir une durée de vie de l'ordre de 20 ans, voire plus, dans des conditions sévères de pressions et températures que l'on a déjà rappelées, alors en plus que l'espace annulaire entre le tube interne métallique constituant la couche support relativement indéformable et la couche de protection élasto- plastique extérieure est totalement occupé par le matériau calorifuge à micropores ouverts au sein duquel il n'existe qu'une pression résiduelle.
L'invention prévoit alors d'intégrer un film d' étanchéité avec la couche élasto-plastique, et de manière préférentielle, de noyer un film d' étanchéité (notamment en aluminium ou alliage d'aluminium pour des raisons de coût et de flexibilité) dans l'épaisseur même de la couche élasto- plastique. Cette dernière est avantageusement constituée en une matière de nature synthétique, donc à base de résines polymériques, appartenant notamment à la famille des polyoléfines tels le polyéthylène ou le polypropylène, et plus particulièrement à base de polyéthylène. En général, un feuilleté comportant plusieurs films intercalés avec plusieurs feuilles de couche élasto-plastique conviendrait également, avec toutefois l'inconvénient d'un coût souvent plus élevé.
L'un des intérêts de ces dispositions est d'éviter que de légères fuites (pouvant notamment résulter de la porosité naturelle du polymère ou de fissurations en cours de vie) entraînent de graves conséquences en détruisant le vide partiel régnant dans la couche calorifuge (ou modifiant la nature du gaz) . En outre, elles peuvent s'adapter aisément à une fabrication faisant intervenir des films d' étanchéité préalablement revêtus d'une matière à durcir par polymérisation que 1 ' on choisit compatible avec celle de la couche élasto- plastique proprement dite, ce qui s'obtient notamment par l'emploi de résines organiques copolymerisables lors de l'étape dite de durcissement ("curing" en anglo-saxon) . Dans un tel mode de mise en oeuvre de 1 ' invention, la matière élasto-plastique se trouve collée par fusion superficielle avec le revêtement du film d' étanchéité quand, en particulier, on applique une feuille de matière élasto-plastique, de proche en proche le long du tuyau, sous forme d'une bande de matière extrudée s 'enroulant en spirale autour du matériau calorifuge par dessus un film d' étanchéité préalablement ainsi revêtu.
Il est à noter que dans tous les cas, l'étape de mise sous vide partiel et l'étape de collage de la couche élasto-plastique peuvent être réalisées en usine, lors de la fabrication des tuyaux constituant les modules élémentaires de la canalisation. Par contre, les étapes de soudure et de réalisation des jonctions 4 sont réalisées sur site, la canalisation 1 étant construite au fur et à mesure et mise à l'eau. En soi, ces opérations sont classiques et elles ont été décrites, par exemple, dans la demande de brevet WO 98/34061 <\ g PCT/FR98/00170
français précitée déposée au nom de la présente demanderesse.
Si la température s'avère trop élevée, compte tenu du matériau constituant la paroi ou couche 2, on peut recourir à un pont thermique isolant cette paroi 2 de la paroi externe du tube métallique 10. La figure 2a illustre une telle disposition.
Les éléments communs aux figures précédentes portent les mêmes références et ils ne seront redécrits qu'en tant que de besoin. La paroi dite "froide", ici référencée 2', se réduit à un simple cylindre entourant la couche d'isolant 3, en matériau microporeux à pores ouverts .
L' étanchéité d'extrémité est réalisée en faisant appel à deux organes en métal 5, de forme cylindro-conique à faible ouverture, qui sont placés à chaque extrémité du tube 10. Ces organes comportent en effet une zone extérieure cylindrique 51, qui se prolonge par une zone d'extrémité conique 50 dont l'ouverture circulaire 54 a un diamètre égal ou légèrement supérieur au diamètre externe du tube 10. La paroi 2' est collée sur le métal de la zone cylindrique 51. La zone conique 50 est soudée, en son ouverture 54, sur la paroi externe du tube 10.
Avantageusement, on munit la zone cylindrique 51 d'une ou plusieurs gorges annulaires, par exemple deux, référencées 52 et 53 comme représenté de façon détaillée sur la figure 2b. Ces gorges 52 et 53 permettront de ligaturer par une bande 6a et/ou de cercler par un cerclage 6b, la couche 2' en matériau élasto-plastique, de façon à la fixer fermement liée sur 1 ' organe intermédiaire 5 et à éviter que 1 ' étanchéité proprement dite ne transmette des efforts de cisaillement .
Là encore, ces opérations peuvent s'effectuer en usine, lors de la fabrication des tuyaux constituant des tronçons élémentaires de canalisation à assembler bout à bout. De façon pratique, l'élément 2 ou 2', en matériau élasto-plastique, peut être réalisé à partir de bandes élastiques qui sont enroulées serrées en spirale et durcies sur place par vulcanisation s'il s'agit de caoutchouc, ou avec des bandes élastiques déjà durcies ou vulcanisées qui sont enroulées et encollées en spirale.
La figure 2c illustre schématiquement, en écorché, un tronçon de conduite 1 réalisé selon ce mode opératoire. On voit clairement sur cette figure 2c l'enroulement en spirale de la bande b constituant la couche 2. Un taux de recouvrement d'une spire à l'autre (traits en pointillés sur la figure) est prévu suffisant pour un collage assurant 1 ' étanchéité au vide.
La couche externe peut également être réalisée simplement par une conduite cylindrique en matériau élasto- plastique, d'un diamètre suffisant pour autoriser sa mise en place autour du matériau microporeux à pores ouverts par enfilage de l'un dans l'autre. Lors d'une étape ultérieure, on réduit le diamètre (rétreint) de la conduite en la chauffant sous pression pour qu'elle se contracte. Pour peu que la matière présente encore des propriétés thermodurcissables, le rétreint est définitif en compression du matériau calorifuge microporeux à pores ouverts . On peut encore procéder directement par extrusion.
La mise sous vide partiel du matériau microporeux à pores ouverts peut s'effectuer de différentes manières, à l'aide d'un appareillage classique en soi, en fonction du type de couche externe utilisé (couche externe spiralée, etc.). La caractéristique physique "pores ouverts" présentée par le matériau calorifuge est une caractéristique très importante car elle autorise la création d'un vide partiel au sein du matériau, de proche en proche. L'opération de rétreint de la couche externe est alors avantageusement concomitante avec la mise sous vide, et progressive le long de la conduite. Un second mode de réalisation de conduites conformes à l'invention est illustré par les figures 3a à 4b. Selon ce mode de réalisation, la couverture isolante et étanche, ici référencée 7, se présente sous la forme d'une bande de grande longueur, typiquement de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres. Les éléments communs aux figures précédentes portent les mêmes références et ils ne seront redécrits qu'en tant que de besoin.
La bande 7 est constituée d'une double enveloppe, comprenant une paroi externe dite froide, tout à fait similaire à la couche 2 correspondante des figures la à 2c, en matériau élasto-plastique, et une paroi interne 8 dite chaude (voir figure 3b, en coupe AA de la figure 3a) , en matériau non élasto-plastique.
Ce matériau non élastique est choisi pour présenter des caractéristiques d'allongement potentiel, dans les conditions d'utilisation (c'est-à-dire dans le cadre d'une application spécifique donnée) , bien inférieures à 1 ' allongement élastique maximum du matériau microporeux à pores ouverts. Un métal tel qu'un feuillard d'acier convient à cet effet, de même d'ailleurs qu'une matière plastique rigide, par exemple à base de résines de polyoléfines noyant une armature de fibres minérales .
Une différence notable entre ce second mode de réalisation et le premier réside donc dans la présence d'une couche supplémentaire 8 , la paroi ou couche non déformable interne dite chaude n'étant plus constituée directement par le tube 10 (voir par exemple figures la et 2a) . La couche supplémentaire 8 doit être étanche pour que le vide partiel créé dans la couche de matériau microporeux à pores ouverts se maintienne .
Les figures 3a et 3b illustrent schématiquement une première variante de réalisation de la couverture selon ce second mode de mise en oeuvre de l'invention. De façon plus précise, la figure 3b est une coupe en section de l'épaisseur de la couverture selon "AA" de la figure 3a.
Comme le montre plus particulièrement cette dernière figure, la bande 7 comprend une première couche 2 emprisonnant la couche 3 par des zones latérales, 23-24, ou d'extrémité, 26, collées sur la couche inférieure 8, en matériau non élastique. La couche 3 en matériau microporeux à pores ouverts est tout à fait similaire à la couche 2 précédemment décrite en regard des figures la à 2a.
De façon avantageuse, comme le montre plus particulièrement la figure 3a, on subdivise la couverture 7 en plaques de couverture élémentaires, 7a, 7b, 7c à 7x
(x représentant le nombre total de "modules") . Pour ce faire, la bande 7 comporte des zones de séparation des plaques élémentaires 25, dans lesquelles la couche 2, en matériau élasto-plastique, est collée sur la couche inférieure 8, en matériau non élastique. Cette disposition permet, en cas d' endommagement de la bande, de limiter les fuites éventuelles à un défaut d' étanchéité restant localisé.
Comme précédemment, la pose de la bande 7 peut s'effectuer par enroulement en spirale autour de tubes (non représentés sur ces figures) qui sont aboutés pour former la conduite globale. Le maintien en place peut également s'effectuer par collage lors de la vulcanisation de caoutchouc constituant la matière élasto-plastique.
Selon une variante supplémentaire de ce second mode, on peut placer la bande à cheval sur la conduite, lorsque cette dernière est déjà déposée au fond de l'eau ou, plus généralement, sur un sol support donné, qu'il soit sous- marin ou terrestre.
Les figures 4a et 4b illustre cette variante de réalisation. La bande proprement dite, ici référencée 7', présente une configuration similaire à la bande 7 des figures 3a et 3b. Il est notamment avantageux de prévoir, comme précédemment, une partition de la bande en modules, dont quatre seulement ont été représentés, 7 'a à 7'd.
La figure 4b, coupe "BB" de la figure 4a, illustre la pose de la couverture 7', à cheval sur la conduite 1, présentant une section en "Ω" . La conduite 1 est supposée avoir été placée au préalable sur le support S. Cependant, pour que cette bande 7' puisse rester en place, il est utile de la lester. Pour ce faire, on peut prévoir, dans une variante non représentée, des chaînes accrochées latéralement à la bande 7' formant couverture.
Cependant, selon une variante préférée, représentée sur les figures 4a et 4b, on prévoit avantageusement deux zones latérales, 9a et 9b, constituées par des poches de lestage, 90a et 90b. Ces zones encadrent les zones de collage, 23 et 24. Elles sont remplies de matière pondéreuse, ou forment, par exemple, des sacs de sable.
Dans cette variante de réalisation, selon le second mode, la couverture de l'invention présente le principal avantage de pouvoir être réalisée sur de grandes, voire très grandes longueurs, et être enroulée sur un tambour pour être simplement mise à l'eau par déroulage du tambour à bord d'un bateau de pose.
A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés. II doit être clair aussi que, bien que particulièrement adaptée à des applications de transport de produits pétroliers par des canalisations sous-marines, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'applications.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Enveloppe d'isolation thermique, caractérisée en ce quelle comprend une structure de couverture, isolante thermiquement et étanche, comportant au moins une couche principale (3) de matériau calorifuge microporeux à pores ouverts, retenu serré sous vide contre une couche support
(10, 8) relativement non déformable par une couche externe
(2) constituée en une matière élasto-plastique, de composition et d'épaisseur déterminées de manière à permettre une reprise des efforts et des contraintes mécaniques dues à ladite pression déterminée régnant dans le milieu ambiant.
2. Enveloppe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couverture comprend une couche support (8) incorporée, en matériau relativement non déformable, et en ce que ladite couche externe (2) en matériau élasto- plastique enserre ladite couche principale (3) en matériau microporeux à pores ouverts, par collage sur sa périphérie (23-26) à ladite couche support (10, 8) .
3. Enveloppe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit matériau microporeux à pores ouverts se présente sous la forme de bandes et en ce qu'il consiste en un mélange de poudre silicique et de fibres de renforcement céramiques, le tout compacté en une structure tridimensionnelle cohérente à haute porosité en pores ouverts, faite de fines particules et retenue dans une enveloppe non étanche aux gaz .
4. Enveloppe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la pression régnant dans le matériau microporeux à pores ouverts est une pression réduite comprise entre 0,5 et 100 millibars.
5. Enveloppe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit support est un tube de canalisation sous-marine (10) véhiculant des produits pétroliers, ladite canalisation sous-marine étant destinée à être placée dans un milieu ambiant dans lequel régnent des conditions de pression déterminées, et en ce que couche externe (2) a une composition et une épaisseur déterminées, de manière à permettre une reprise des efforts et des contraintes mécaniques dues à ladite pression déterminée régnant dans le milieu ambiant.
6. Enveloppe selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites couches externe (2) et principale (3) se présentent sous la forme de deux tubes cylindriques sensiblement coaxiaux recouvrant sensiblement la longueur dudit tube de canalisation (10) , en ce que ladite couche externe (2) déborde, aux extrémités, de ladite couche principale (3) , de manière à former un profil cylindro- conique, dont la zone cylindrique (22) enserre ledit tube (10) , et en ce que cette zone est collée sur la paroi externe de ce tube (10) pour obtenir ladite étanchéité.
7. Enveloppe selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites couches externe (2) et principale (3) se présentent sous la forme de deux tubes cylindriques sensiblement coaxiaux recouvrant sensiblement la longueur dudit tube de canalisation (10), et en ce qu'il est prévu, aux deux extrémités de ce tube (10) , un organe métallique intermédiaire cylindro-conique (5) , dont la partie cylindrique (51) est disposée sous ladite couche externe (2) et collée à cette couche (2) , et la partie conique (50) comprend une ouverture circulaire (54) de diamètre sensiblement égal au diamètre dudit tube (10) , cette ouverture circulaire (54) étant soudée sur la paroi extérieure de ce tube (10) , pour obtenir ladite étanchéité .
8. Enveloppe selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite partie cylindrique (51) comporte en outre, au moins, une gorge annulaire (52, 53), de manière à permette un ligaturage et/ou cerclage de ladite couche externe (2') sur ledit organe métallique intermédiaire cylindro-conique (5) .
9. Enveloppe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, ladite couche principale (3) entourant complètement ledit tube (10), ladite couche externe (2, 2') est constituée d'un enroulement en spirale d'une bande de caoutchouc, effectué sur la couche principale (3) , et par sa vulcanisation et/ou son collage.
10. Enveloppe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite couche principale (3) entourant complètement ledit tube (10), ladite couche externe (2, 2') est constituée d'un tube cylindrique enfilé sur ladite couche (3) et rétreint par exposition à la chaleur.
11. Enveloppe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite couverture a la forme d'une bande (7) subdivisée en une pluralité de dites enveloppes etanches (7a à 7x) , chaque enveloppe étant séparée de la suivante par une zone de collage (25) de ladite couche externe (2) sur ladite couche support (8) .
12. Enveloppe selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite couverture en forme de bande
(7') subdivisée en une pluralité de dites enveloppes (7* a à 7 ' d) est disposée à cheval sur ledit tuyau (1) .
13. Enveloppe selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite couverture en forme de bande (7') subdivisée en une pluralité de dites enveloppes (7 'a à 7'd) est en outre munie d'une pluralité de poches latérales de lestage (90a, 90b) , lesdites poches latérales de lestage (90a, 90b) étant remplies d'un matériau pondereux ou formant sacs de sable, de manière à maintenir ladite conduite (1) sur ladite surface (S) de tuyau ou autre matériel.
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