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LES FICHES TECHNIQUES |
L'effet Joule au service du
maintien
en température des tuyauteries |
| Cahiers de l'Ingénierie - H.
Rivoalen - Janvier 97 |
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L'objectif de cet article est de présenter les différentes techniques
électriques de maintien en température de tuyauteries que l'on appelle couramment
systèmes de traçage.
Quatre grandes familles sont
actuellement disponibles sur le marché:
- les rubans chauffants,
- les câbles à isolant minéral et les éléments blindés,
- le tube à passage de courant,
- le tube traceur à effet chauffant.
Si les rubans chauffants, les
câbles à isolant minéral et les éléments blindés sont des techniques bien connues en
Europe, ce nest pas le cas du tube à passage de courant, ni du tube traceur à
effet chauffant, qui sont deux techniques originaires des Etats Unis mais dont la
diffusion est restée confidentielle en France.
Le tube à passage de courant a
pourtant pour équivalent anglo-saxon lImpedance Heating System (IHS). Le tube
traceur à effet chauffant est léquivalent du Skin Effect Current Tracing (SECT).
Cet article compare les
différentes techniques et décrit, dans une deuxième partie, et pour chacune
delles, des exemples de réalisations.
Une tuyauterie, dans laquelle
circule un fluide chaud, échange avec l'extérieur une quantité de chaleur qui dépend
de l'écart de température entre le fluide chaud et le milieu ambiant, de la géométrie
de la tuyauterie et de la nature de l'isolant thermique qui protège cette tuyauterie.
Autrement dit, la température du fluide à l'intérieur du tube ne cesse de décroître
au cours de son transport.
Cette chute de température n'est
pas admissible, notamment dans les deux principaux cas suivants:
-le fluide change d'état à un
certain seuil (risque de figeage);
- le procédé de fabrication impose une température minimale de fluide.
Pour pallier ce phénomène,
différents dispositifs appelés "systèmes de traçage" ont été développés.
Ces systèmes apportent une quantité de chaleur équivalente aux pertes thermiques dans
le milieu ambiant. La température du fluide reste donc identique entre l'entrée et la
sortie de la tuyauterie.
Bien entendu, des solutions
traditionnelles utilisant la vapeur ou un fluide caloporteur existent pour réaliser le
maintien en température :
- le tube traceur,
- la double enveloppe.
Le tube traceur
Il s'agit de disposer, le long de
la tuyauterie à maintenir en température, un tube dans lequel circule de la vapeur sous
pression ou un fluide caloporteur.
Par conduction, il transmet de la
chaleur à la tuyauterie qui la communique selon la même loi au produit qui la parcourt.
La double enveloppe
On dispose, autour de la
tuyauterie à maintenir en température, un deuxième tube, concentrique au premier, et la
vapeur ou le fluide caloporteur circule dans l'espace annulaire ainsi créé. La vapeur ou
le fluide caloporteur transmet directement la chaleur à la tuyauterie.
Ces deux solutions présentent
l'avantage d'utiliser une énergie peu chère ; en revanche, elles engendrent, d'une
façon générale, une maintenance élevée.
Les solutions électriques sont
donc une alternative intéressante. En effet, si les coûts d'investissement sont
comparables (pour des technologies offrant la même homogénéité de température), les
coûts de maintenance sont, eux, très réduits. Comme les puissances installées sont
faibles (quelques dizaines de kW en général), les coûts énergétiques se trouvent
largement compensés par les gains en maintenance.
Aujourd'hui, quatre technologies
électriques de maintien en température existent et sont industrialisées :
- les rubans chauffants,
- les câbles à isolant minéral et les éléments blindés,
- le tube à passage de courant,
- le tube traceur à effet chauffant.
C'est une technologie bien
connue, et, sous ce nom générique, on distingue trois produits :
| - le ruban chauffant fini, - le ruban chauffant à puissance constante,
- le ruban chauffant auto-limitant. |

Exemple de ruban chauffant posé |
PRINCIPE DU RUBAN CHAUFFANT FINI
Les rubans finis sont des
éléments chauffants dont la longueur et la puissance dissipée sont prédéterminées.
Selon la nature des isolants mis en uvre, ils couvrent une gamme très large de
températures et constituent la solution la plus simple d'utilisation. Leurs limites
résident dans la nécessité d'adapter un ruban spécifique à chaque longueur de
tuyauterie.
PRINCIPE DU RUBAN CHAUFFANT À PUISSANCE
CONSTANTE
Un ruban chauffant à puissance
constante est constitué par deux conducteurs électriques isolés sur lesquels est
spiralé un fil résistant. . Ce fil est alternativement raccordé sur l'un et l'autre des
conducteurs électriques à intervalle régulier (environ 800 mm). Une enveloppe
extérieure assure l'isolation électrique de l'ensemble. Un ruban chauffant à émission
constante est ainsi constitué par un ensemble de résistances alimentées électriquement
en parallèle.

Figure 1 - Principe de ruban à
puissance constante
Cette technologie permet de
garantir une puissance dissipée constante au mètre linéaire.
Ces rubans sont tronçonnables
aux longueurs désirées.
Les rubans à émission constante
les plus couramment utilisés sont constitués par des élastomères ou des polymères
fluorés selon le niveau de température requis. Les longueurs maximales pour une seule
alimentation électrique 240 ou 400 V sont de l'ordre de 150 m pour des puissances
dissipées atteignant 40 W/m.
PRINCIPE DU RUBAN CHAUFFANT AUTO-LIMITANT
Deux conducteurs électriques
sont enrobés dans un polymère dont la caractéristique principale réside dans le fait
que sa résistivité augmente avec la température selon une loi prédéterminée.

Figure 2 - Principe du ruban
auto-limitant
A une valeur maximale définie de
température, la résistance du ruban tend vers une valeur telle que la puissance
dissipée tend vers 0. Avec de tels rubans, la puissance dissipée est une fonction de sa
température. De ce fait, il s'auto-limite en tout point. Cette caractéristique fait du
ruban auto-limitant le produit présentant la plus grande sécurité pour une utilisation
en zone à risque d'explosion.
Suivant les modèles et les
fabricants, ce ruban permet d'obtenir une puissance de 9 à 60 W par mètre linéaire de
ruban. L'isolant en silicone a une température maximale de fonctionnement de 180 °C.
Dans ces conditions, les
constructeurs proposent ce matériel pour des températures de maintien jusqu'à 100 °C.
Ces rubans sont tronçonnables aux longueurs désirées. ,
MISE EN OEUVRE
Pose des éléments chauffants
L'ensemble des éléments
chauffants peut être disposé sur la tuyauterie selon deux modes de pose :
- le long d'une ou de plusieurs
génératrices de la tuyauterie,
- en spirale.
Quels que soient les éléments
chauffants utilisés, il convient de veiller à réaliser un bon contact avec la
tuyauterie à chauffer en évitant particulièrement de les enrober dans le calorifuge.
Dans le cas contraire, une destruction rapide des éléments chauffants est à prévoir.
Les colliers de fixation des éléments chauffants doivent être suffisamment rapprochés
pour satisfaire cet impératif. Par exemple, ils doivent être disposés à l'entrée et
à la sortie d'un coude.

Figure 3 - Les différents types de
pose
Enfin, en mode de pose spiralée,
les colliers seront plus rapprochés qu'en pose selon une génératrice. Tout câble ou
ruban chauffant doit faire l'objet d'une mesure de continuité et d'une mesure de
résistance d'isolement avant et après montage sur la tuyauterie. Il est indispensable de
se conformer aux prescriptions des constructeurs.
Les points singuliers
Les brides, vannes, supports,
constituent des points singuliers au niveau desquels la puissance installée doit être
renforcée.
Des équivalences de puissance à
installer par rapport à la tuyauterie sont en général établies. A titre indicatif, le
tableau ci-dessous donne un ordre de grandeur des pertes thermiques de quelques éléments
de tuyauterie, dans le cas d'un maintien à 100 °C et dans le cas d'un maintien à 400
°C. La difficulté réside dans les précautions à prendre pour la mise en place des
longueurs supplémentaires de câbles ou de ruban sur ces points particuliers. En règle
générale, et hors le ruban auto-limitant, il faut impérativement proscrire tout
croisement ou chevauchement des câbles ou rubans sur les brides ou corps de vanne. A ce
niveau, la fixation sera particulièrement soignée pour éviter une inclusion de
calorifuge.
| Nature des équipements |
Longueur équivalente de tuyauterie isolée |
| à
100 °C |
à
400 °C |
| 2 brides nues |
2 à 3 m |
5 à 9 m |
| 2 brides protégées |
1 m |
1 m |
| 1 vanne nue |
6 à 9 m |
16 à 26 m |
| 1 vanne protégée |
2 à 3 m |
5 à 7 m |
| Suspentes |
15 % |
15 % |
Tableau 1 -
Longueur équivalente de la tuyauterie
en fonction des singularités de parcours de la tuyauterie
Régulation
Quel que soit le type d'élément
chauffant installé, y compris dans le cas du ruban auto-limitant, il apparaît
indispensable qu'il soit assujetti à un système de régulation. Un thermostat ou
régulateur "tout ou rien" pilotant un contacteur présente une solution simple
et bien adaptée à un système de maintien en température. Pour les petites longueurs de
tuyauterie, et donc de faible puissance, un thermostat, dont le pouvoir de coupure est
bien dimensionné suffit.
| Dans le cas du traçage de tuyauteries de
process, le régulateur peut être de type électronique avec pilotage d'un contacteur
statique, pour des températures plus élevées et des inerties faibles nécessitant un
contrôle des variations de température. Des sondes de limitation de température, voire
de sécurité, peuvent être associées au système de régulation. |

Kit prêt à la pose de ruban
chauffant
à puissance constante |
| LE
CABLE A ISOLANT MINÉRAL ET LES ÉLÉMENTS BLINDES |
PRINCIPE DES CABLES À ISOLANT MINÉRAL
Les câbles à isolant minéral
sont constitués par un fil résistant rectiligne ou âme chauffante, isolé par de la
magnésie et une gaine extérieure métallique.

Figure 4 - Câble à isolant
minéral
A chacune des extrémités de
l'élément chauffant, une longueur d'environ un mètre, non chauffante, permet
d'effectuer la traversée du calorifuge.
Ces sorties froides sont
constituées d'un câble de même nature mais dont le conducteur central est de section
plus forte et donc de résistivité plus faible. Contrairement aux rubans chauffants dont
on peut ajuster la longueur après l'achat (il suffit de couper le ruban), la longueur
d'un câble à isolant minéral doit être déterminée à l'achat. Un élément chauffant
peut être réalisé dans des longueurs de plusieurs centaines de mètres. Il couvre des
plages de températures jusqu'à 650°C. Deux caractéristiques intrinsèques font de lui
un élément fiable :
- étanchéité totale due à la
présence d'une gaine métallique extérieure,
- stabilité totale de l'isolant minéral.
PRINCIPE DES ÉLÉMENTS BLINDÉS
| Dans des cas très particuliers de tuyauterie
de courte longueur devant être maintenue ou portée à des températures élevées
(supérieures à 150 °C), l'élément de type blindé présente une solution
technico-économique particulièrement intéressante. De structure comparable à un
câble chauffant à isolant minéral, il se différencie par le fait que le fil résistant
noyé dans la magnésie est spiralé et non rectiligne.Cette technologie permet d'obtenir
des résistances ohmiques linéiques de valeur très supérieures (de l'ordre de 1 à 10). |

Elément chauffant minéral et
éléments blindés |
MISE EN OEUVRE
La mise en uvre est très
similaire à celle des rubans chauffants auto-limitants décrite au paragraphe
précédent.
Cependant, ce type d'éléments
chauffants unifilaires doit être alimenté à chaque extrémité, contrairement aux
rubans chauffants qui sont alimentés à une seule extrémité. Ceci nécessite
obligatoirement une pose en aller-retour le long de deux génératrices ou une pose
spiralée aller-retour également.
Il convient dans tous les cas
d'en tenir compte pour le calcul des puissances installées et de faire appel à des
entreprises spécialisées.
| LE TUBE
À PASSAGE DE COURANT |
Le tube à passage de courant
(TPC) est l'équivalent français de "l'Impedance Heating System (IHS)"
anglo-saxon. C'est une technique très développée aux USA où plusieurs milliers
d'installations existent, dont certaines fonctionnent depuis de très nombreuses années.
En France, outre quelques réalisations récentes, d'autres installations plus anciennes
existent. C'est le cas, notamment chez OCTEL-KULHMAN à Pain-boeuf, où une dizaine de TPC
sont utilisés pour maintenir sous forme liquide du plomb à 450°C et du sodium à
115°C.
PRINCIPE
Le principe est très simple. Il
s'agit de mettre sous tension la tuyauterie à tracer et de l'isoler électriquement de
ses supports.
Par effet Joule, dans la paroi
même du tube, celui-ci s'échauffe et permet le maintien en température du fluide
transporté. L'alimentation électrique s'effectue à partir d'un transformateur BT/TBT.
Les tensions appliquées au tube sont en général inférieures à 50 volts, et les
intensités de quelques centaines d'ampères.
Bien entendu, la tuyauterie doit
être isolée électriquement de ses supports. Le câble électrique de retour est
disposé parallèlement à la tuyauterie et le plus près possible de celle-ci.
La puissance linéaire, en
Watt/mètre, de tuyauterie n'est pas limitée.
La limite en température dépend
uniquement du matériau employé pour la tuyauterie.
MISE EN OEUVRE
Seul le respect de quelques
règles simples lors de la construction du système de maintien en température de
tuyauterie par tube à passage de courant permet d'obtenir les performances attendues et
garantit la fiabilité du système.

Figure 5 - Les différents montages
électriques pour une installation
de maintien en température par TPC
Transformateur, montage
électrique
Le transformateur utilisé est en
général un transformateur monophasé comportant un secondaire basse tension, haute
intensité qui peut être doté de prises de réglage de tension au primaire pour le
réglage de la tension au secondaire. La tension au primaire du transformateur est
spécifiée en fonction du réseau utilisateur. La tension au secondaire est limitée en
général à 50 V pour respecter la norme française C15100 relative à la TBTS (Très
Basse Tension de Sécurité), mais il ne s'agit pas d'une obligation et la mise en place
de protections adéquates permet de travailler avec des tensions plus élevées. Le
transformateur est à enroulements séparés et comporte un écran relié à la masse
entre les enroulements primaires et secondaires.
Il existe deux types de montages
électriques possibles :
- l'alimentation électrique aux
extrémités,
- l'alimentation électrique point milieu.
Le transformateur de puissance
doit être implanté aussi près que possible de la canalisation chauffée. Dans un
système à alimentation point milieu, le transformateur doit être implanté si possible
au plus près du point milieu. Cette disposition permet de minimiser la chute de tension
dans les câbles et le coût de ces derniers, tout en assurant un rendement maximum du
système.
Câbles
Les câbles reliant le secondaire
du transformateur à la canalisation doivent être calculés pour au moins 100 % du
courant de charge maximale.
Plus les câbles sont gros, moins
la chute de tension ou la perte de puissance est importante. Dans un système à
alimentation à point médian ou multicâble, les câbles doivent être de même longueur
et de même calibre pour équilibrer les courants de charge. Les connexions des câbles
doivent être serrées fermement et de manière uniforme. Elles peuvent également être
brassées ou réalisées par fusion.
Les câbles doivent cheminer
aussi près que possible de l'extérieur de l'isolation de la tuyauterie et il ne doit y
avoir aucune matière magnétique entre les câbles et la canalisation, comme par exemple
les dispositifs de suspension, supports ou enveloppe de calorifuge (ainsi, l'enveloppe du
calorifuge ne peut être en acier), dans lesquels des courants peuvent être induits.
Lorsque les câbles du secondaire ne sont pas fixés sur la canalisation et sont
susceptibles de subir une détérioration physique, les câbles doivent être protégés
mécaniquement. On choisira des chemins de câbles en acier inoxydable, ou tout au moins
en U de type fil afin de limiter l'induction dans le chemin de câbles. L'isolant
électrique normal de classe 600 V est adapté à la protection des câbles secondaires
contre le contact par le personnel.
Connexions
Les connexions électriques sont
établies sur la tuyauterie au moyen de plaques soudées sur celle-ci. Les emplacements
doivent être tels qu'il est indiqué sur les plans. Si un système d'alimentation à
point milieu est utilisé, l'emplacement de la connexion du point milieu est critique et
doit être déterminé comme suit: il faut mesurer physiquement la longueur de
canalisation mise en place et la diviser par deux pour trouver le point milieu, placer le
point milieu au centre géométrique de la canalisation de longueur installée. Une
connexion vissée peut alors être installée à ce point milieu physique et raccordée
aux câbles issus du transformateur. Une graisse conductrice entre la connexion et la
tuyauterie peut être utilisée pour réduire la résistance de contact. Une basse tension
doit alors être appliquée et les courants, dans chaque sens, mesurés. Il faut ensuite
déplacer la connexion dans le sens où le courant le plus faible a été mesuré jusqu'à
ce que les deux courants soient à peu près égaux (à 5% près). Une fois que le point
milieu électrique est localisé, il suffit de retirer la connexion vissée, de nettoyer
la tuyauterie, puis de souder la connexion point milieu définitive.
Régulation
Outre le transformateur, le
circuit de puissance est composé d'un bloc gradateur à thyristors piloté par un
régulateur de type PID, qui contrôle la température du tube. Les sondes de température
situées sur la tuyauterie doivent être impérativement isolées électriquement de la
tuyauterie et de la terre. Le dispositif de régulation de la température et les relais
de commandes, alarmes, etc. associés doivent être placés dans une armoire qui peut
être localisée dans une salle de contrôle-commande par exemple.
Sécurité, protection des
personnes
Pour une bonne sécurité, il
faut prévoir une sonde de température par alimentation électrique ou demi-alimentation
dans le cas d'une réalisation avec point milieu. Un disjoncteur différentiel est exigé
pour la protection du personnel.
La mise à la terre s'effectue
aux deux extrémités de la tuyauterie dans le cas du montage avec point milieu et à une
extrémité dans le cas du montage avec alimentation aux extrémités.
Les connexions, les câbles du
secondaire et les transformateurs font partie intégrante du système de chauffage par
impédance. Toutes les surfaces externes accessibles de la canalisation chauffée doivent
donc être protégées, isolées physiquement ou thermiquement (au moyen d'une enveloppe
étanche à l'eau dans le cas des installations extérieures), afin de les protéger de
tout contact par le personnel.
Calorifugeage, isolation
électrique des supports et brides isolantes
Enfin, une attention toute
particulière doit être portée au calorifugeage de la tuyauterie et à l'isolation
électrique des supports de la tuyauterie. En effet, contrairement à un traçage par
ruban chauffant ou câble à isolant minéral, il n'est pas possible de renforcer
localement l'apport de chaleur. Il convient donc de calorifuger parfaitement les vannes,
les brides et les piquages divers afin de limiter au maximum les pertes thermiques en ces
points.
L'isolation électrique de la
tuyauterie peut s'effectuer par l'intermédiaire de pièces isolantes entre la tuyauterie
et son patin, ou, lorsque l'emploi de tube précalorifugé est possible, en supportant la
tuyauterie par l'enveloppe extérieure du calorifuge.
La conductivité électrique et
la température du fluide doivent être prises en compte lors du choix du type de brides
isolantes.
La figure ci-dessous donne une
configuration possible de la bride isolante, mais il peut en exister d'autres.

Figure 6 - Exemple de bride isolante
pour la technologie
du tube à passage de courant
| LE
TUBE TRACEUR A EFFET CHAUFFANT |
Le tube traceur à effet
chauffant est l'équivalent français du "Skin Effect Current Tracing" (SECT)
anglo-saxon.
Littéralement, on peut traduire
ce terme par Traçage Electrique par Effet de Peau.
LE PHENOMENE D'EFFET DE PEAU
L'effet de peau est dû au
passage d'un courant alternatif dans un conducteur résistif massif.
En effet, pour une tension
continue, la densité de courant est uniforme dans toute la section de passage du courant.
Pour une tension alternative, la densité de courant n'est plus homogène si le matériau
est magnétique.
La résolution des calculs montre
que la densité de courant diminue de façon exponentielle depuis la périphérie du
conducteur.
Les électriciens ont ainsi
défini une épaisseur efficace, ou épaisseur de peau, qui est l'épaisseur d'un
conducteur équivalent, dans lequel circulerait une densité de courant moyenne.
L'épaisseur de peau est donnée
par la relation

avec :
r : résistivité du matériau en Omega.m
µo : perméabilité magnétique du vide (4.pi.10 -7 )
µr : perméabilité magnétique du matériau
f : fréquence du courant en Hz
On obtient donc pour les matériaux indiqués
dans le tableau ci-dessous, alimentés en 50 Hz et à température ambiante, les
épaisseurs de peau suivantes :
| |
Résistivité
(Omega.m) |
Perméabilité
magnétique |
Epaisseur
de peau
(mm) |
| Acier |
20.10 -8 |
1800 |
0,75 |
| Inox 316 L |
80.10 -8 |
1 |
66,6 |
| Inconel 601 |
126.10 -8 |
1 |
79,9 |
Tableau 2 -
Profondeur de peau pour différents matériaux
A titre d'exemple et pour
illustrer ce tableau, dans un conducteur massif de diamètre 30 mm en acier standard, le
courant se concentre à la périphérie du conducteur, tandis que pour le même conducteur
en acier inoxydable, la densité de courant est pratiquement homogène dans toute la
section du conducteur.
PRINCIPE DU TUBE TRACEUR À EFFET CHAUFFANT
Le principe du traceur à effet
chauffant consiste à fixer un tube en acier de faible diamètre sur la génératrice du
tube à tracer. Un conducteur électrique isolé en cuivre est introduit à l'intérieur
de ce tube.

Figure 7 - Schéma de principe et
montage électrique
d'un tube traceur par effet de peau
| L'une des extrémités de ce câble est reliée
au tube en acier, et l'autre est reliée à un transformateur. Le retour du courant est donc assuré par le tube dont l'autre
extrémité est reliée à la seconde partie du transformateur. Une extrémité de
l'installation peut être reliée à la terre.
Sur le plan électrique, le circuit est donc
composé:
- d'un transformateur,
-d'un câble,
- d'un tube DN20 (diamètre nominal 20 mm) en acier. |

Tube traceur à effet chauffant et
son câble |
Tous ces éléments sont montés
électriquement en série.
Contrairement au TPC, les
tensions de fonctionnement peuvent être élevées et atteindre plusieurs centaines de
volts. L'effet électromagnétique entre le conducteur en cuivre et le tube en acier,
parcouru par des courants contraires, amène le courant à se concentrer sur la face
interne du tube traceur. Le réchauffage en ligne "SECT" utilise donc le
phénomène de l'effet de peau inverse. En effet, en plaçant le conducteur électrique à
lintérieur du tube en acier, le courant se concentre sur la face interne et non
plus sur la face externe.

Figure 8 - Transfert de chaleur pour
le tube traceur à effet chauffant
Il se produit alors un
échauffement. Cet apport de chaleur provient de l'effet Joule :
- dans le tube traceur en acier.
Cet apport est relativement important dans la mesure où la résistance apparente du tube
est élevée (le phénomène d'effet de peau diminue en effet la section réelle de
passage du courant, donc augmente la résistance apparente),
- dans le câble (relativement
faible, mais automatiquement créé par l'échauffement du conducteur en cuivre).
En conclusion, le réchauffage en
ligne "SECT" est un traçage par éléments résistifs (le tube traceur de
DN20).
Le phénomène de l'effet de peau
n'est pas spécifique à cette méthode de réchauffage en ligne, car on le trouve
également dans le tube à passage de courant lorsque le matériau employé est
magnétique. C'est pourquoi à la traduction littérale "Traçage électrique par
Effet de Peau", la désignation "Tube traceur à effet chauffant" est
préférable.
MISE EN OEUVRE
Les tubes traceurs
En fonction de la puissance
requise et du diamètre de la tuyauterie, il faut définir le nombre de tubes traceurs et
leurs diamètres (en général de 13 à 38 mm).
L'épaisseur minimale de ces
tubes doit être de 3 mm pour une utilisation à 50 Hz.
Les tubes traceurs peuvent être,
soit :
- soudés de façon continue sur
un seul côté ou discontinue en alterné des deux côtés mais avec un minimum de partie
soudée correspondant à 30 % de la longueur tracée le long de la tuyauterie,
- cerclés sur la tuyauterie afin
d'obtenir un bon contact entre le tube traceur et le pipe à chauffer, et ceci sans
oublier de tenir compte de la dilatation différentielle en température des différents
éléments. En effet, si le contact n'est pas parfait, le transfert de chaleur entre le
tube traceur et la tuyauterie risque d'être réduit. Dans ce cas, le tube traceur peut
monter rapidement en température et il y a un risque de dégradation de l'isolant
électrique du câble. Il convient dans ce cas d'associer au collier de fixation un ciment
conducteur de chaleur. On procède ainsi notamment dans le cas de tuyauterie en acier
inoxydable pour lesquelles il n'est pas toujours possible de souder le tube traceur en
acier.
Alimentation électrique
Les câbles électriques sont des
câbles spéciaux à double isolation. Généralement, la gaine extérieure est destinée
à protéger le câble au moment du tirage à l'intérieur du tube chauffant mais n'a pas
un rôle d'isolant électrique. Lors de son introduction dans le tube traceur, il faut
veiller à ne pas endommager la protection du câble.
| Pour faciliter l'introduction et l'extraction du
câble, le diamètre du tube traceur doit être assez grand. A chaque discontinuité de la tuyauterie (vanne, bride, coude,
etc.) et tous les 500 mètres environ, il faut placer une boîte de tirage. |

Boite de jonction du câble
tous les 500 mètres |
Ainsi, lorsqu'une partie du
câble est endommagée, il est possible de la changer sans décalorifuger l'installation.
Les boites de tirage doivent permettre la connexion des deux câbles et assurer le retour
du courant. Leur conception fait donc partie intégrante du savoir-faire des
constructeurs. Enfin, il faut veiller à ce que l'isolant du câble résiste à la
température de fonctionnement de l'installation.
Deux montages électriques sont
possibles :
- alimentation électrique aux
extrémités,
- alimentation par point milieu.
Comme la tension requise dépend
de la longueur de la tuyauterie et de la puissance, un transformateur à tension de sortie
spécifique est nécessaire dans la plupart des cas. En général, les tensions employées
sont de quelques centaines de volts et les intensités de quelques dizaines d'ampères.
Si le système est composé d'un
seul traceur, alimenté aux extrémités, on utilise un transformateur monophasé. Pour un
système d'alimentation par point milieu, on peut employer un transformateur de type SCOTT
(triphasé au primaire, diphasé au secondaire). Enfin, dans le cas de tubes traceurs
multiples, il faut employer des transformateurs triphasés.
Régulation
La commande de puissance
s'effectue à partir d'un bloc à thyristors à angles de phase ou à train d'ondes.
Une sonde de température en
régulation et une sonde de température en sécurité sont installées sur chaque circuit
électrique ou demi-circuit électrique dans le cas d'une installation du type "point
milieu".
Calorifugeage
Comme pour la technologie du tube
à passage de courant, l'isolation thermique doit être particulièrement soignée au
niveau des singularités de la tuyauterie (vannes, brides, supports, etc.).
En effet, ces dispositifs
présentent une masse supérieure à celle de la tuyauterie et exigent donc une quantité
de chaleur plus grande. Il convient donc dans certains cas de renforcer l'isolation en ces
points.
Enfin, l'isolation thermique doit
assurer la protection du personnel contre le contact avec des surfaces chaudes.
Sécurité des personnes
Une caractéristique remarquable
du système de chauffage par tube traceur à effet chauffant est que la chute de tension
à la surface extérieure du tube traceur est extrêmement faible en raison du phénomène
d'effet de peau. Si le tube traceur et, de ce fait, l'alimentation sont reliés à la
terre à l'extrémité du transformateur, la totalité de l'enveloppe extérieure de
l'installation (tuyauterie + tube traceur) reste au potentiel de terre.
Un système de chauffage par tube
traceur à effet chauffant est physiquement similaire à un conducteur unique dans un
conduit rigide en acier. Lorsque des tensions très élevées sont utilisées, des
panneaux de mise en garde contre les hautes tensions doivent être prévus à toutes les
boites de tirage et à intervalles réguliers le long de la tuyauterie. Pour une
utilisation en atmosphère explosible, il convient d'employer des boites de connexions et
de tirage spécifiques.
| QUELLE
TECHNOLOGIE POUR QUELLE INSTALLATION ? |
Le choix d'une technologie pour
une application donnée est un exercice difficile.
En effet, il faut prendre en
compte les possibilités et les contraintes techniques que présentent les différents
systèmes, intégrant l'aspect économique coûts des composants, des installations, le
fonctionnement et la maintenance.
On peut tout de même tenter de
définir pour chaque technologie une application type.
Rubans chauffants
Cette technique est
particulièrement bien adaptée pour le maintien en température de ligne relativement
courte, à des températures inférieures ou égales à 120 °C.
La présence de singularité sur
la tuyauterie (piquage de mesures, coudes, changement de section, vannes, etc.) ne
constitue pas un handicap.
Câble à isolant minéral et éléments blindés
Le domaine d'application est
identique à celui des rubans chauffants mais pour des températures plus élevées.
Tube à passage de courant
Cette technique est adaptée pour
le maintien en température de tuyauterie jusqu'à une longueur d'environ 1000 mètres
(au-delà, plusieurs alimentations électriques seront nécessaires). Le niveau de
température maximum est uniquement fonction des matériaux employés.
L'emploi de cette technique est
particulièrement judicieux à température élevée ou lorsque l'on souhaite pouvoir
défiger la tuyauterie et son contenu.
Tube traceur à effet chauffant
Cette technique s'applique
principalement aux tuyauteries droites de plusieurs centaines de mètres à plusieurs
kilomètres de long et à un niveau de température maximal de 150 °C. Le diamètre de la
tuyauterie peut être important. La présence de nombreuses singularités est un handicap.
Le tableau ci-dessous a pour
objectif d'apporter des éléments de réponse pour effectuer le choix d'une technologie
en fonction des caractéristiques de l'installation.
Cependant, il convient de
s'adresser à un spécialiste qui saura conseiller la technologie la mieux adaptée pour
l'installation.
| Technologie |
Cordon
chauffant à
puissance
constante ou
auto-limitant |
Câble
à
isolant
minéral ou
éléments
blindés |
Tube
à passage
de courant |
Tube
traceur à
effet chauffant |
Température de
maintient de la
tuyauterie |
120 °C |
600 °C |
1000 °C |
150 °C |
Distance maxi
de traçage à
partir d'une
alimentation |
150 m |
300 m |
< 1000 m |
13 km |
Tension
d'alimentation |
230 V
ou
400 V |
230 V
ou
400 V |
quelques
dizaines de volts |
quelques
centaines de volts |
| Intensité |
quelques
ampères |
quelques
ampères |
quelques
centaines
d'ampères |
quelques
dizaines
d'ampères |
Densité de
puissance
disponible |
faible |
moyenne |
élevée |
moyenne |
Tuyauterie
métallique
nécessaire |
non |
non |
oui |
oui |
| Coût |
faible |
faible |
moyen |
moyen |
Utilisation pour
atmosphère
explosible |
oui |
oui |
non* |
non** |
| Inconvénients |
recherche
délicate des
défauts
électriques |
recherche
délicate des
defauts
électriques |
isolation
électrique des
supports, présence du
câble
électrique,
présence de
singularités |
longueurs droites
principalement,
présence de
singularités |
| Avantages |
mise en
oeuvre
simple |
mise en
oeuvre
simple |
fiabilité du
niveau de
température |
fiabilité,
pas d'isolation
électrique à prévoir |
* Actuellement, il n'y a pas eu de demande
auprès du LCIE (Laboratoire Central des Industries Electriques) pour un agrément.
** Il n'y a pas d'agrément, mais un rapport du LCIE confirme que rien ne s'oppose à
l'utilisation de cette technique en zone classée.
Tableau 3 -
Comparaison des différentes techniques
RÉALISATION EN PÉTROCHIMIE PAR RUBANS
AUTO-LIMITANT
Pour le maintien en température
d'une unité d'huile, l'utilisateur a défini les caractéristiques géométriques des
lignes à tracer et les hypothèses de calcul :
- Fluide: huile,
- Température à maintenir : 80°C à +/- 5°C,
- Température minimum
extérieure : 15°C,
- Diamètre des tuyauteries : 4
et 6 pouces,
- Longueur totale de l'ensemble
des tuyauteries à tracer : environ 10 000 m,
- Calorifuge : laine de roche
(épaisseur 40 mm),
- Pas de préchauffage à prévoir.
L'ensemble des études
thermiques, des caractéristiques des rubans à installer et du système de régulation a
été confié à un constructeur spécialisé qui a assuré la maîtrise de l'ensemble
fourniture, mise en uvre et essais.
Les caractéristiques de
l'installation sont les suivantes :
- Puissance: 400 kW
- Alimentation : 220 V
- Implantation: zone classée en atmosphère explosible.
Etant donné la précision de
température exigée et la longueur de certains circuits supérieurs à 100 mètres, le
constructeur a retenu deux types de rubans chauffants. |
Le traçage électrique des
canalisations
permet d'apporter une réponse aux
problèmes de sécurité |
Pour les longueurs inférieures
à 100 mètres, des rubans chauffants auto-limitant ont été employés.
Pour les longueurs supérieures
à 100 mètres, ce sont des rubans finis qui ont été posés.
Ce choix a été imposé par les
chutes de tension calculées dans les rubans auto-limitant.
Au total, l'installation comporte
240 circuits électriques.
La régulation est assurée par
24 automates de 10 voies chacun qui sont interconnectés et reliés à un ordinateur
situé en salle de contrôle-commande.
La régulation s'effectue sur la
température du produit avec sécurité et alarme sur un seuil de température haute.
RÉALISATION EN SIDERURGIE PAR CABLES À
ISOLANT MINERAL
Sur un site sidérurgique pour la
réalisation du maintien en température d'un réseau de tuyauterie véhiculant de
l'hydrogène, la solution par câble à isolant minéral a été retenue. Ce choix s'est
naturellement imposé en raison :
- du niveau de température à
maintenir: 650 °C,
- de l'environnement très difficile et de la complexité des circuits.
| Le cahier des charges a été établi par un
ensemblier ; les études de définition des circuits chauffants et des modes de pose ont
été définies par le constructeur qui a également assuré la mise en uvre et les
essais de chauffage. |

Vue de la tuyauterie et du câble
avant calorifugeage |
Les caractéristiques techniques
de cette installation sont les suivantes :
- Température de maintien : 650
°C,
- Tuyauterie: acier inoxydable DN
150,
- Calorifuge : multicouche pour
une épaisseur totale de 200 mm,
- Tension d'alimentation : 220
volts.
Le câble employé a une gaine
extérieure en Inconel.
Il est muni d'une sortie froide
en Nickel avec raccordement soudé sous argon.
Le niveau. de puissance
électrique demandée a nécessité la pose des câbles en deux allers et retours le long
de la tuyauterie.
Les pertes supplémentaires au
niveau des soufflets de dilatation de l'installation sont compensées par la mise en place
de colliers chauffants.
TOTAL: MAINTIEN À 200°C D'UNE LIGNE DE
COMBUSTIBLE HAUTE VISCOSITÉ (CHV)
La raffinerie TOTAL de Normandie
est installée sur un site d'une superficie de 10,5 km2 à proximité de la zone portuaire
du Havre. Sa capacité de raffinage est de 22 millions de tonnes par an. La production est
actuellement de 11 millions de tonnes par an. La raffinerie produit environ 250 sortes de
produits dérivés. C'est la plus grande raffinerie de France.

La raffinerie possède un réseau
de vapeur à 12 bar qui ne permet pas le maintien en température des canalisations de
produits pétroliers à une température supérieure à 180 °C. Or, certains produits
bitumeux à forte viscosité nécessitent pour leur transport une température de l'ordre
de 200 °C. Pour cette raison, la société TOTAL a retenu, lors de la construction d'une
nouvelle tuyauterie, la solution du tube à passage de courant (TPC).

Le cahier des charges, défini
par TOTAL, doit permettre :
- le maintien, en température de
la ligne,
- le préchauffage de la ligne
depuis la température ambiante jusqu'à la température de maintien, tuyauterie pleine.
Maintien en température
- Température de maintien: 220
°C,
- Température ambiante de calcul : 10°C,
- Convection naturelle (pas de vent),
- Longueur de la ligne: 405 mètres,
- Diamètre extérieur: 168,3 mm,
- Diamètre intérieur: 154,1 mm,
- Matériau du tube : acier standard (magnétique)
- Calorifuge : laine de roche, épaisseur 170 mm.
Préchauffage de la ligne
(Défigeage)
- Température de la ligne froide
: O°C,
- Température de la ligne chaude : 180 °C,
- Fluide à l'intérieur de la tuyauterie : combustible haute viscosité (CHV),
- Masse volumique du CHV : 1050 kg/m3,
- Capacité thermique massique à chaud du CHV: 2930 J/kg,
- Pas de changement de phase du CHV,
- Temps de préchauffage : 5 jours.
Alimentation électrique
L'alimentation électrique du
tube est assurée par deux transformateurs monophasés d'une puissance unitaire de 50 kVA.
Pour respecter les règles relatives à la TBTS (Très Basse Tension de Sécurité), la
tension d'alimentation du tube est limitée à 50 V maximum.

Schéma de principe de
l'alimentation électrique
Les transformateurs sont
implantés dans le poste électrique situé à une vingtaine de mètres de la ligne et
décentrés par rapport au point milieu de la ligne.
| La contrainte de limiter à 50 V la tension
d'alimentation, associée à la contrainte de localiser les transformateurs dans le poste
électrique, ont conduit à diviser la ligne en deux tronçons d'inégales longueurs, afin
de mieux répartir les chutes de tension en ligne pour avoir un courant constant. Les côtes des différents tronçons ainsi que l'emplacement des
connexions électriques sont représentées sur la ci-contre.
L'alimentation électrique s'effectue "en
point milieu" des deux tronçons.
Les câbles d'alimentation électrique sont en
cuivre et ont une section de 240 mm2. |

Une connexion et son calorifuge |
L'alimentation des points milieux
est réalisée à l'aide de deux câbles en parallèle. Ces câbles sont disposés dans
une goulotte en fil d'acier à une distance moyenne de 1 mètre de la tuyauterie.
Pour les deux passages sous les
routes, les câbles sont installés dans des fourreaux en acier inoxydable d'un diamètre
de 60,3 mm.
La référence à la terre est
effectuée a la sortie des transformateurs sur les câbles d'alimentation des points
milieux.
Mise en service - Retour
d'expérience
La mise en service a été plus
délicate que prévue. En effet, handicapés par le manque de connaissance sur ce type
d'installation et par sa taille, plusieurs erreurs de jeunesse ont été commises. Ainsi,
la tôle de protection du calorifuge initialement prévue en acier a du être remplacée
par une tôle en aluminium car elle était le siège de courants de FOUCAULT.
Les capteurs de mesure de
températures, initialement prévus près des connexions, ont été déplacés pour
obtenir une valeur de température plus significative de chaque tronçon car les
connexions faisaient office d'ailettes de refroidissement.
Les joints isolants ont
également été à l'origine de plusieurs défauts d'isolement de la ligne.
La résolution de ces problèmes
et de quelques autres a permis d'acquérir les connaissances indispensables au
développement industriel de cette technologie.
Une fois ces difficultés
surmontées, le fonctionnement de l'appareil s'est révélé conforme au calcul
prévisionnel et l'installation est utilisée en production depuis Août 1995.
ELF - MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DE DEUX
LIGNES DE PÉTROLE BRUT
| La raffinerie ELF de DONGES a retenu en 1984 et
1985 la technologie du tube traceur à effet chauffant pour deux lignes de déchargement
de pétrole brut. Le cahier des
charges défini par ELF-DONGES était le suivant: |

Le tube et ses deux traceurs avant
la pose |
- Longueurs : 450 mètres et 1400
mètres,
- Diamètre de la tuyauterie : 18 pouces,
- Température de maintien: 70 °C,
- Température ambiante de calcul: O°C,
- Matériau du tube : acier standard
- Tube précalorifugé
- Calorifuge de type mousse, épaisseur 60 mm
Alimentation électrique
| La ligne de 450 mètres est alimentée par un
seul traceur de 1 pouce (25,4 mm) à l'aide d'un transformateur de 45 kVA sous 380 V. Sur la ligne de 1400 mètres, deux traceurs de diamètre un pouce
ont été implantés. Chaque traceur constitue un circuit électrique. Cette seconde
installation appelle 150 kVA sous une tension de 600 volts
Mise en service
L'installation de traçage s'est révélée en
tout point conforme au cahier des charges et les températures de maintien ont été
obtenues sans problème. |

Détail de raccordement des manchons
assurant la continuité des tubes traceurs |
Depuis sa mise en service,
l'installation n'a connu aucun problème de fiabilité tant du point de vue mécanique
qu'électrique.
Hervé RIVOALEN
Département Applications de l'Electricité dans l'industrie
EDF - Direction des Etudes et Recherches
Les Renardières B.P. 1 77250 MORET-SUR-LOING
Tél. : 01 60 73 70 39
LES CABLERIES DE LENS
36, rue de Londres - 62301 LENS
Tél. : 03 21 77 30 30
Télécopie : 03 21 42 20 21
ETIREX
B.P. 107 - 02203 SOISSONS CEDEX
Tél. : 03 23 74 39 39
Télécopie : 03 23 74 39 00
ISOPAD
69, Avenue de lEurope
77184 EMERAINVILLE
Tél. : 01 64 61 06 06
Télécopie: 01 64 61 00 99
RAYCHEM
1, rue Oziers
95130 SAINT OUEN LAUMONE
Tél. : 01 30 20 21 22
Télécopie: 01 34 20 21 02
THERMON
1 à 15, rue de Valmy
93100 MONTREUIL
Tél. : 01 48 70 42 90
Télécopie : 01 48 57 68 87
VULCANIC
48, rue Louis Ampère
ZI des Chanoux
93390 NEUILLY SUR MARNE
Tél. : 01 49 44 49 20
Télécopie: 01 49 44 49 41
Lauteur remercie tout particulièrement : A. BONET, Directeur Commercial de
Vulcanic SA,
Et
R. LE MEE, Directeur
Commercial de Thermon France,
Pour leur aide précieuse et
leurs conseils dans la rédaction de cet article.
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