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

L'effet Joule au service
du maintien en température
des tuyauteries : quelques
réalisations industrielles
Mots-clés
Effet Joule,
Maintien en
température
des fluides,
Tuyauteries.
par C. AUSSUDRE, G. DESCHAMPS, P. TERRIEN, Electricité de France Recherche etDéveloppement
Il est nécessaire de bien choisir sa technologie électrique de traçage
de tuyauteries, en fonction de son application.
1. 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 don-
née 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 installa-
tions, au fonctionnement et à la maintenance. On peut
ainsi tenter d'apporter une réponse à la question
suivante : quelle technologie utiliser pour une applica-
tion 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 éle-
vées.
Tube à passage de courant
Cette technique est adaptée pour le maintien en tempé-
rature de tuyauteries jusqu'à environ 1000 mètres, au-
delà plusieurs alimentations électriques seront néces-
saires. Le niveau de température maximale est unique-
ment fonction des matériaux utilisés. L'emploi de cette
technique est particulièrement judicieux à température
élevée ou lorsque l'on souhaite pouvoir défiger la tuyau-
terie et son contenu.
Tube traceur à effet chauffant
Cette technique s'applique principalement aux tuyau-
teries droites de plusieurs centaines de mètres à plusieurs
kilomètres de long et à un niveau de température maxi-
male de 150'C. Le diamètre de la tuyauterie peut être
élevé. La présence de singularités en nombre élevé est un
handicap.
. Le logiciel TRACE, développé à EDF, permet à l'utilisateur
d'avoir des éléments pour choisir sa technologie de traçage
de tuyauteries en fonction de son application. Il permet aussi
de dimensionner l'installation électrique adéquate pour les
différentes technologies.
. Quelques exemples d'installations industrielles sont
donnés : une réalisation en pétrochimie par rubans chauf-
fants, une réalisation en sidérurugie par câbles à isolant
minéral, un maintien en température à 200°C dans l'industrie
du pétrole.
SYNOPSIS
. The software package TRACE, developed by the French
electricity supplier EDF, may be used to help choose the most
appropriate induction heating technology for a particular
application. The software also specifies the capacity of the
electrical installation required for each technology.
. A number of examples are given of industrial installations,
including a petrochemical application using heating tape, the
use of mineral insulated cables in the steel industry and a sys-
tem used to maintain a temperature of 200 °C in an oil refinery.
1

CHAUFFAGE ET MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DES FLUIDES PAR TRAÇAGE ÉLECTRIQUE
Il
Le tableau 1, page suivante, tente d'apporter des élé-
ments de réponse pour choisir une technologie en fonc-
tion 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'instal-
lation 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 tuyaute-
rie pour :
- les rubans chauffants,
- les câbles à isolant minéral et les résistances blindées,
- le tube à passage de courant,
- le tube traceur à effet chauffant.
Il s'agit d'un outil de calculs thermiques et électriques. En
thermique, il est possible d'effectuer les calculs suivants :
- pertes thermiques d'une tuyauterie nue ou calorifu-
gée 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 :
- la saisie, la modification et l'archivage dans des
fichiers des informations nécessaires au calcul d'une ins-
tallation,
- la création et l'archivage dans des fichiers des infor-
mations relatives à une installation,
- l'impression des données, des caractéristiques d'une
installation,
- la saisie, la modification et l'archivage dans des
fichiers des caractéristiques électriques, thermiques et
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°C et + 400°C pour les calculs en convection forcée,
- l'accès à une aide en ligne en permanence.
c
L'objectif de ce logiciel est de permettre des pré-
études. Il s'adresse donc aux ingénieurs, aux utilisateurs
c
de PC. Le logiciel est diffusé par EDF.
Ce logiciel fonctionne indifféremment sous MACIN-
TOSH et sous l'environnement WINDOWS.
2. Exemples de réalisations industrielles
2.1 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 à maintenir : 80°C à +/- SoC,
- 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 maîtri-
se de l'ensemble fourniture, mise en oeuvre et essais.
Les caractéristiques de l'installation sont les suivantes :
- puissance : 400 kW,
- alimentation : 220 V,
- implantation en zone classée en 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-limi-
tants. Au total, l'installation comporte 240 circuits élec-
triques.
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'ef-
fectue sur la température du produit avec sécurité et alar-
me sur un seuil de température haute.
2.2 Réalisation en sidérurgie
par câbles à isolant minéral
Pour réaliser le maintien en température d'un réseau de
tuyauterie véhiculant de l'hydrogène sur un site sidérur-
gique, la solution par câbles à isolant minéral a été rete-
nue. 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 définis par le constructeur qui a
également assuré la mise en oeuvre et les essais de chauf-
fage. 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
1
REE

Tableau 1 - Comparaison des différentes techniques.
Technologie Température Distance maxi Tension Intensité Densité Tuyauterie Coût
de maintien de traçage à d'alimentation de puissance métallique
de la tuyauterie partir d'une disponible nécessaire
alimentation
Cordon 120'C 150 m 230 V quelques faible non faible
chauffant à ou ampères
puissance 400 v
constante ou
auto-limitant
Câble à isolant 600 Ic 300 m 230 V quelques moyenne non faible
minéral ou ou ampères
éléments blindés 400 V
Tube à passage 1000 Ic < 1000 m quelques quelques élevée oui moyen
de courant dizaines de centaines
volts d'ampères
Tube traceur à 150 13 km quelques quelques moyenne oui moyen
effet chauffant centaines de dizaines
voits d'ampèresvolts 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.
P/Myo/.'VMet/ë/a
Photo 7 : vue de la
tuyauterie et du câble
avnut calorifùgeage.
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MMt, jttjtiMj..
) MmN !
2.3 Maintien à 200°C d'une ligne de combustible
haute viscosité
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 Il 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 12 bars qui
ne permet pas le maintien en température des canalisa-
tions 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 solu-
tion du tube à passage de courant (TPC).
Le cahier des charges, défini par TOTAL, doit per-
mettre :
- le maintien en température de la ligne,
- le préchauffage de la ligne depuis la température
ambiante jusqu'à la température de maintien, tuyauterie
pleine.
2.3.1 Maintien en température
- Température de maintien : 220°C
- Température ambiante de calcul : - 1 O'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.
2.3.2 Préchauffage de la ligne (Défigeage)
- Température de la ligne froide : O°C,
c
REE
1

,i, e ,,- s
m
CHAUFFAGE ET MAINTIEN EN TEMPÉRATURE DES FLUIDES PAR TRAÇAGE ÉLECTRIQUE
Utilisation Inconvénients Avantages
pour
atmosphère
explosive
oui recherche miseenoeuvre
délicate des défauts simple
électriques
oui recherche miseenoeuvre
délicate des défauts simple
électriques
oui* isoiationéiectriquedes fiabiiiténiveau
supports, présence du de température
câble électrique, pré-
sence de singularités
oui* iongueursdroitesprin- fiabilité
cipalement, présence pas d'isolation
de singularités électrique à prévoir
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q 2 aÿe v
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- 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 à chaud du CHV : 2930 J/kg,
- Pas de changement de phase du CHV,
- Temps de préchauffage : 5 jours.
2.3,3 Alimentation électrique
L'alimentation électrique du tube est
assurée par deux transformateurs mono-
phasés d'une puissance unitaire de
50 kVA. Pour respecter les règles relatives d
à la TBTS (Très Basse Tension de
Sécurité), la tension d'alimentation du tube
est limitée à 50 V maximum. Les transfor-
mateurs sont implantés dans le poste élec-
trique situé à une vingtaine de mètres de la Tuyaute
ligne et décentrés par rapport au point Diamètrg 1 hh h Diamètr
milieu de la ligne. La contrainte de limiter
à 50 V la tension d'alimentation, associée
à la contrainte de localiser les transforma-
teurs dans le poste électrique ont conduit à
diviser la ligne en deux tronçons d'in-
égales 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.
Photo 2 : Une connexion et son calorifuge.
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 inox
d'un diamètre de 60,3 mm.
La référence à la terre est effectuée au niveau de la sor-
tie des transformateurs sur les câbles d'alimentation des
points milieux.
2.3.4 Mise en service
La mise en service a été plus délicate que prévu. En
effet, handicapés par le manque de connaissances sur ce
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 pré-
vue en acier a dû être remplacée par une tôle en alumi-
nium 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-
60 m 80 m 110M 100 m
1 2 2'3 U 3'4 4'U1 2 2'3 3'4 4'
i r si
; 3. 4
m m m
A m
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N
TuyauterieacierD Usecondaire)
Diamètre ext.11 1 secondaire
POPOSTE ---
ÉLECTRIQUE
!
1 2 3
J. Schérna de principe de l'czlimentation électrique.
1
IE

çon, les connexions faisant office d'ailettes de refroidis-
sement. Les joints isolants ont également été à l'origine
de plusieurs défauts d'isolement de la ligne. La résolu-
tion de ces problèmes et de quelques autres a permis
d'acquérir les connaissances indispensables au dévelop-
pement industriel de cette technologie. Une fois ces diffi-
cultés 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 deux lignes
de pétrole brut
La raffinerie ELF de Donges a retenu la technologie du
tube traceur à effet chauffant pour deux lignes de déchar-
gement 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,
- Matériau du tube acier standard,
- Tube précalorifugé,
- Calorifuge de type mousse, épaisseur 60 mm.
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Photo 3 : Le tube et ses deux tr (iceiii-s avaiit la pose
2.4.1 Alimentation électrique
La ligne de 450 mètres est alimentée par un seul tra-
ceur 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.
2.4.2 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-
pérature des tuyauteries. Les différents dispositifs appe-
lés " 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.
ACOME
ALCATEL CABLES
BARTEC
ETIREX
ISOPAD
PARMILLEUX
RAYCHEM
REVTECH
THERMOCOAX
câbles chauffants uniquement
câbles chauffants uniquement
câbles chauffants uniquement
câbles chauffants et TPC
câbles chauffants uniquement
TPC uniquement
câbles chauffants uniquement
TPC uniquement
tous types
THERMON câbles chauffants et effet de peau
Lé....,a ; ij i (i) ur.j,
Christian AUSSUDRE est ingénieur chercheur à EDF R&D au
département applications de l'électricité dans l'industrie. II travaille sur
l'ensemble des systèmes de réchauffage des fluides dans l'industrie.
Guy DESCHAMPS est ingénieur chercheur à EDF R & D au dépar-
tement applications de l'électricité dans l'industrie. Son domaine d'acti-
vité est plus particulièrement le secteur chimie.
Pascal TERRIEN est ingénieur de l'école Centrale de Paris. Il est
responsable du groupe d'étude sur le chauffage des fluides par effet
Joule dans l'industrie à EDF R&D.
REE
NI 3
1