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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

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 n’est 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 l’Impedance Heating System (IHS). Le tube traceur à effet chauffant est l’équivalent du Skin Effect Current Tracing (SECT).

Cet article compare les différentes techniques et décrit, dans une deuxième partie, et pour chacune d’elles, des exemples de réalisations.

  GÉNÉRALITÉS

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.

ball.gif (995 octets) 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.

ball.gif (995 octets) 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.

  LES RUBANS CHAUFFANTS

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.

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Exemple de ruban chauffant posé

ball.gif (995 octets) 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 œuvre, 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.

ball.gif (995 octets) 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.

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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.

ball.gif (995 octets) 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.

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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. ,

ball.gif (995 octets) 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.

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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. joule_5.jpg (18508 octets)
Kit prêt à la pose de ruban chauffant
à puissance constante

 

  LE CABLE A ISOLANT MINÉRAL ET LES ÉLÉMENTS BLINDES

ball.gif (995 octets) 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.

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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.

ball.gif (995 octets) 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).

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Elément chauffant minéral et éléments blindés

ball.gif (995 octets) MISE EN OEUVRE

La mise en œuvre 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.

ball.gif (995 octets) 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.

ball.gif (995 octets) 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.

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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.

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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.

ball.gif (995 octets) 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.

ball.gif (995 octets) 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.

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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.

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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 l’intérieur du tube en acier, le courant se concentre sur la face interne et non plus sur la face externe.

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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.

ball.gif (995 octets) 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.

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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.

ball.gif (995 octets) 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.

ball.gif (995 octets) Câble à isolant minéral et éléments blindés

Le domaine d'application est identique à celui des rubans chauffants mais pour des températures plus élevées.

ball.gif (995 octets) 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.

ball.gif (995 octets) 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

  EXEMPLES DE RÉALISATIONS

ball.gif (995 octets) 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 œuvre 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.

ball.gif (995 octets) 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 œuvre et les essais de chauffage. joule_16.jpg (11276 octets)
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.

ball.gif (995 octets) 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.

joule_17.jpg (13594 octets)

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).

joule_18.jpg (10570 octets)

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.

joule_20.jpg (24687 octets)
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.

joule_19.jpg (19855 octets)
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.

ball.gif (995 octets) 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:

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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.

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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.

  L'AUTEUR

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

  ADRESSES UTILES

ball.gif (995 octets) LES CABLERIES DE LENS
36, rue de Londres - 62301 LENS
Tél. : 03 21 77 30 30
Télécopie : 03 21 42 20 21

ball.gif (995 octets) ETIREX
B.P. 107 - 02203 SOISSONS CEDEX
Tél. : 03 23 74 39 39
Télécopie : 03 23 74 39 00

ball.gif (995 octets) ISOPAD
69, Avenue de l’Europe
77184 EMERAINVILLE
Tél. : 01 64 61 06 06
Télécopie: 01 64 61 00 99

ball.gif (995 octets) RAYCHEM
1, rue Oziers
95130 SAINT OUEN L’AUMONE
Tél. : 01 30 20 21 22
Télécopie: 01 34 20 21 02

ball.gif (995 octets) THERMON
1 à 15, rue de Valmy
93100 MONTREUIL
Tél. : 01 48 70 42 90
Télécopie : 01 48 57 68 87

ball.gif (995 octets) VULCANIC
48, rue Louis Ampère
ZI des Chanoux
93390 NEUILLY SUR MARNE
Tél. : 01 49 44 49 20
Télécopie: 01 49 44 49 41


L’auteur 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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