L`effet Joule au service du maintien en température des tuyauteries

L'effet
du
Joule
au
maintien
des
en
Mots-clés
service
EffetJoule,
Maintienen
température
desfluides,
Tuyauteries.
température
tuyauteries : quelques
réalisations
industrielles
par C. AUSSUDRE,G. DESCHAMPS,P.TERRIEN, Electricité de France Recherche etDéveloppement
Il est nécessaire
de tuyauteries,
1.
de bien
choisir
en fonction
sa technologie électrique
de traçage
de son application.
Généralités
Après un premier article dans lequel ont été abordées
les différentes technologies électriques de traçage de
tuyauteries, ce second article présente des exemples de
réalisations industrielles.
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 des
différents systèmes, mais également intégrer l'aspect
économique lié aux coûts des composants, des installations, au fonctionnement et à la maintenance. On peut
ainsi tenter d'apporter une réponse à la question
suivante : quelle technologie utiliser pour une application donnée ?
Rubaus chauffants
Cette technique est particulièrement bien adaptée pour
le maintien en température de lignes relativement
courtes, 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 majeur.
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 tuyauteries jusqu'à environ 1000 mètres, audelà plusieurs alimentations électriques seront nécessaires. Le niveau de température maximale est uniquement fonction des matériaux utilisés. 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 maximale de 150'C. Le diamètre de la tuyauterie peut être
élevé. La présencede singularités en nombre élevé est un
handicap.
SYNOPSIS
. Le logiciel TRACE,développéà EDF,permet à l'utilisateur
d'avoir des élémentspour choisir sa technologiede traçage
de tuyauteries en fonction de son application.Il permetaussi
de dimensionner l'installation électrique adéquate pour les
différentestechnologies.
. The software package TRACE,developed by the French
. Quelques exemples d'installations industrielles sont
donnés : une réalisation en pétrochimie par rubans chauffants, une réalisation en sidérurugie par câbles à isolant
minéral, un maintienen températureà 200°Cdans l'industrie
du pétrole.
. A numberof examplesare given of industrial installations,
includinga petrochemicalapplicationusing heatingtape, the
use of mineral insulated cables
in the steel industryanda system usedto maintaina temperatureof 200 °Cin an oil refinery.
electricity supplierEDF,may be usedto help choosethe most
appropriate induction heating technology for a particular
application. Thesoftware also specifies the capacityof the
electrical installation required
for eachtechnology.
1
CHAUFFAGE ET MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DES FLUIDES PAR TRAÇAGE ÉLECTRIQUE
Il
Le tableau 1, page suivante, tente d'apporter des éléments de réponse pour choisir une technologie en fonction des caractéristiques de l'installation. Il convient de
s'adresser aux ingénieurs des bureaux d'études, aux
constructeurs et installateurs de matériels qui sauront
consciller la technologie la mieux adaptée pour l'installation industriclle, grâce notamment à l'utilisation du
logiciel TRACE.
Le logiciel TRACE, développé par la Direction des
Etudes et Recherche d'EDF, permet le dimensionnement
des installations de maintien en température de tuyauterie pour :
- les rubans chauffants,
- les câbles à isolant minéral et les résistancesblindées,
- le tube à passagede courant,
- le tube traceur à effet chauffant.
Il s'agit d'un outil de calculs thermiqueset électriques.En
thermique, il est possibled'effectuer les calculs suivants:
- pertes thermiques d'une tuyauterie nue ou calorifugée en convection naturelle ou forcée,
- durée de défigeage pour une puissance donnée,
- puissance nécessaire pour une durée de défigeage
donnée.
En électrique, il permet de dimensionner l'alimentation
électrique adéquate pour les différentes technologies.
En outre, ce logiciel permet :
- lasaisie, la modification et l'archivage dans des
fichiers des informations nécessairesau calcul d'une installation,
- la création et l'archivage dans des fichiers des infor-
-
température minimum extérieure : - 1 5'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 oeuvreet essais.
Les caractéristiquesde l'installation sont les suivantes :
- puissance : 400 kW,
- alimentation : 220 V,
- implantation en zone classéeen atmosphère explosivc.
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.
Pour les longueurs inférieures à 100 mètres, des rubans
chauffants auto-limitants ont été employés et 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-limitants. Au total, l'installation comporte 240 circuits électriques.
La régulation est assuréepar 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.
mations relatives à une installation,
- l'impression des données, des caractéristiques d'une
2.2
installation,
- lasaisie, la modification et l'archivage dans des
fichiers des caractéristiques électriques, thermiques et
Pour réaliser le maintien en température d'un réseaude
tuyauterie véhiculant de l'hydrogène sur un site sidérurgique, la solution par câbles 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
magnétiques des matériaux,
- la saisie, la modification et l'archivage dans un
fichier des caractéristiques géométriques des tubes,
- la saisie automatique des caractéristiques de l'air entre
- SO°Cet + 400°C pour les calculs en convection forcée,
- l'accèsà une aide en ligne
c en permanence.
L'objectif de ce logiciel est de permettre des préétudes. Il s'adresse donc aux ingénieurs,
aux utilisateurs
c
de PC. Le logiciel est diffusé par EDF.
Ce logiciel fonctionne indifféremment sous MACINTOSH et sous l'environnement WINDOWS.
2.
2.1
Exemples
de réalisations
industrielles
Réalisation en pétrochimie par rubans
chauffants
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 :
- température àmaintenir : 80°C à +/- SoC,
REE
1
Réalisation en sidérurgie
par câbles à isolant minéral
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 définis par le constructeur qui a
également assuré la mise en oeuvreet les essaisde chauffage. Les caractéristiques techniques de cette installation
sont les suivantes :
- température de maintien : 650'C,
- tuyauterie cn acier inoxydable DN ISO,
- calorifuge : multicouche pour une épaisseur totale de
200 mm,
- tension d'alimentation : 220 volts.
Les câbles employés ont une gaine extérieure en
Inconel et sont munis 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
Tableau 1 Technologie
Comparaison des différentes techniques.
Température
Distance maxi
de maintien
de traçage à
de la tuyauterie partir d'une
alimentation
Cordon
chauffant à
Tension
d'alimentation
Intensité
Densité
de puissance
disponible
Tuyauterie
métallique
nécessaire
Coût
quelques
ampères
faible
non
faible
quelques
ampères
moyenne
non
faible
quelques
centaines
d'ampères
élevée
oui
moyen
moyenne
oui
moyen
120'C 150 m 230 V
ou
puissance
constante ou
auto-limitant
400 v
Câble à isolant
600 Ic 300 m 230 V
minéral ou
éléments blindés 400 V
Tube à passage
1000 Ic
de courant dizaines de
ou
< 1000m
quelques
volts
Tube traceur à
150 13
effet chauffant centaines de
km
quelques
quelques
dizaines
voits d'ampères
volts
d'ampères
i
1
* Actuellement, il n'y a pas eu de demande auprès du LCIE pour un agrément
* Il n'y a pas agrément mais un rapport du LCIE confirme que rien ne s'oppose à l'utilisation de cette technique en zone classée.
supplémentaires au niveau des soufflets de dilatation de
l'installation
sont compensées par la mise en place de
colliers chauffants.
Photo 7 : vue de la
P/Myo/.'VMet/ë/a
tuyauterie et du câble
avnut calorifùgeage.
(t..Sa
La raffinerie possède un réseau de vapeur 12 bars 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,
mettre :
- le maintien en température de la ligne,
T 'a
i'B
t
-
le préchauffage
ambiante jusqu'à
af.'..'
MMt, jttjtiMj..
)MmN
!
Maintien à 200°C d'une ligne de combustible
haute viscosité
La raffinerie
TOTAL
site d'une superficie
de Normandie
est installée sur un
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 Il millions de tonnes par an. La raffinerie
produit
environ 250 sortes de produits dérivés. C'est la plus
grande raffinerie
depuis la température
de maintien,
tuyauterie
pleine.
2.3.1
2.3
de la ligne
la température
doit per-
de France.
Maintien en température
-
Température de maintien : 220°C
-
Température ambiante de calcul : - 1 O'C
-
Convection
-
Longueur de la ligne : 405 mètres
naturelle (pas de vent)
-
Diamètre extérieur
: 168,3mm
-
Diamètre intérieur
154,1 mm
-
Matériau du tube : acier standard (magnétique)
-
Calorifuge
2.3.2
-
: laine de roche, épaisseur 170 mm.
Préchauffagede la ligne (Défigeage)
Température de la ligne froide : O°C,
c
REE
1
CHAUFFAGE ET MAINTIEN
,i, e ,,- s
EN TEMPÉRATURE
DES FLUIDES PAR TRAÇAGE ÉLECTRIQUE
m
Utilisation
Inconvénients
; ,
Avantages
q
r
pour
atmosphère
explosive
oui
a
2aÿe
a
v
i
am,1
r;f6Î
r
recherche
délicate des défauts
.
miseenoeuvre
simple
électriques
/'. vlh^/â;,d SX'i
"
-....'vs.
:
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a
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Photo 2 : Une connexion et son calorifuge.
oui
recherche
délicate des défauts
miseenoeuvre
simple
électriques
oui* isoiationéiectriquedes fiabiiiténiveau
supports, présence du de température
câble électrique, présence de singularités
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 mm 2.
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
d'un diamètre de 60,3 mm.
inox
La référence à la terre est effectuée au niveau de la sortie des transformateurs sur les câbles d'alimentation
des
oui* iongueursdroitesprin-
fiabilité
points milieux.
cipalement, présence pas d'isolation
de singularités électrique à
2.3.4
prévoir
Mise en service
La mise en service a été plus délicate que prévu. En
effet, handicapés par le manque de connaissances sur ce
-
Température de la ligne chaude : 180°C,
-
Fluide
à l'intérieur
de la tuyauterie
: combustible
haute viscosité (CHV),
- Masse volumique du CHV : 1050 kg/m',
-
Capacité calorifique
-
Pas de changement de phase du CHV,
à chaud du CHV
-
Temps de préchauffage : 5 jours.
: 2930 J/kg,
type d'installation
et par la taille de cette dernière, les
installations ont commis plusieurs erreurs de jeunesse.
Ainsi la tôle de protection du calorifuge initialement prévue en acier a dû 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 tron-
2.3,3 Alimentation électrique
60 m 80 m 110M 100 m
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. Les transformateurs sont implantés dans le poste électrique situé à une vingtaine de mètres de la
ligne
g
et décentrés 1
par rapport
hh
au h
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 cotes des différents
tronçons
ainsi que l'emplacement
des
connexions électriques sont représentées
sur la figure 1.
IE
1
1
d
i A
mN
2 2'3
; U
3'44
3.
4'U
4'
m
m
mN
r
si
m
mN
E
0
N
TuyauterieacierD Usecondaire)
Tuyaute
Diamètr ext.11 1 secondaire
Diamètre
POPOSTE --ÉLECTRIQUE
!
123
J. Schérna de principe de l'czlimentation électrique.
çon, les connexions faisant 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.
2.4
Maintien en température
de pétrole brut
La raffinerie ELF de Donges a retenu 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 :
- Longueurs : 450 mètres et 1400 mètres,
Diamètre de la tuyauterie : 18 pouces,
-
Température de maintien : 70°C,
-
Température ambiante de calcul : O°C,
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. Depuis sa mise
en service, l'installation
n'a connu aucun problème de
fiabilité tant du point de vue mécanique qu'électrique.
3.
Conclusion
Les exemples de réalisations industrielles
présentés
dans cet article montrent que les solutions électriques
sont une alternative intéressante pour maintenir en tem-
de deux lignes
-
2.4.2
pérature des tuyauteries. Les différents dispositifs appelés " systèmes de traçage " sont compétitifs par rapport
aux solutions traditionnelles
à la vapeur, grâce à des
coûts d'investissement
comparables
et des coûts de
maintenance très réduits.
-
Matériau du tube acier standard,
-
Tube précalorifugé,
ACOME
-
Calorifuge de type mousse, épaisseur 60 mm.
c
ALCATEL
câbles chauffants uniquement
CABLES
BARTEC
.
rF
,
°
s
`r
`
,
ETIREX
ISOPAD
PARMILLEUX
uniquement
câbles chauffants et TPC
câbles chauffants uniquement
TPC uniquement
câbles chauffants uniquement
REVTECH
TPC uniquement
THERMON
3Fr V,
rbds_'.
câbles chauffants
RAYCHEM
THERMOCOAX
.,..a,s
câbles chauffants uniquement
tous types
câbles chauffants et effet de peau
'f4 »,y..
...,
k 3 °4'.d..
Photo 3 : Le tube et ses deux tr (iceiii-s avaiit la pose
Lé....,a ; ij i (i) ur.j,
2.4.1
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.
Christian AUSSUDRE est ingénieurchercheurà EDF R&D au
départementapplicationsde l'électricitédans l'industrie. II travaille
sur
l'ensembledes systèmesde réchauffagedesfluidesdansl'industrie.
Guy DESCHAMPS est ingénieurchercheurà EDFR & D au départementapplicationsde l'électricitédansl'industrie.Sondomained'activité est plusparticulièrement
le secteurchimie.
Pascal TERRIEN est ingénieurde l'école Centralede Paris.Il est
responsabledu grouped'étudesur le chauffagedes fluides par effet
Joule dans l'industrie à EDF R&D.
REE
NI 3
1