FR2748545A1 - Conduite isolee thermiquement pour le transport de gaz naturel liquefie - Google Patents

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Abstract

La conduite comprend deux tubes coaxiaux (12, 14) et un isolant thermique (22) emplissant l'espace tubulaire compris entre ces tubes. Dans cette conduite, le tube interne (14) est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation, choisi parmi les matériaux tels que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young dudit matériau soit inférieur à 1,5 MPa/ deg.K pour des températures comprises entre -160 deg.C et +20 deg.C. Le tube interne (14) a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm, le tube externe (12) est en acier et a une épaisseur de paroi supérieure à 10 mm, et l'isolant thermique (22) a une conductivité thermique inférieure à 0,02 W/m. deg.K.

Description

CONDUITE ISOLEE THERMIQUEMENT POUR LE TRANSPORT DE GAZ
NATUREL LIQUEFIE.
La présente invention concerne une conduite pour le transport de fluides à des températures cryogéniques, et en particulier pour le transport de gaz naturel liquéfié ou
GNL, sur terre et en milieu sous-marin.
On sait que pour pouvoir etre transporté, le gaz naturel est liquéfié, après son extraction du sol. Cette opération est effectuée à une température d'environ - 161"C dans une usine de liquéfaction. Le gaz naturel est ensuite chargé dans des méthaniers qui le transportent jusqu'à une usine de regazéification. Le transport entre lesdites usines et les méthaniers se fait dans des conduites hautement isolantes qui limitent les pertes thermiques et donc la vaporisation du GNL.
Par le brevet NO 2 673 264, on connaît une conduite pour le transport d'hydrocarbures comprenant un tube externe et un tube interne tous deux en acier, montés coaxialement, l'espace compris entre les deux tubes ou annulaire étant empli d'une matière thermiquement isolante. La ligne de transport est réalisée en soudant bout à bout des tronçons de tubes internes et en connectant des tronçons de tubes externes au moyen de manchons filetés.
Pour effectuer la pose d'une telle conduite, on soude les tubes internes et on assemble les tubes externes au moyen des manchons, ces opérations étant effectuées sur une barge, puis on fait glisser la conduite, au fur et à mesure de son assemblage, le long d'une rampe inclinée fixée à l'arrière de la barge. Cette rampe permet de faire glisser la conduite dans l'eau tout en maintenant une traction sur l'extrémité. La conduite vient reposer sur le fond marin selon un profil en S.
En cours d'exploitation, le gradient de température entre les hydrocarbures et le milieu environnant induit des efforts de dilatation très importants qui nécessitent l'utilisation de pièces de reprise mécanique ou tulipes qui ont aussi pour fonction d'assurer une étanchéité compartimentée de l'annulaire.
Toutefois, dans l'application au transport de GNL, l'utilisation de telles tulipes n'est pas souhaitable car celles-ci constituent des ponts thermiques qui abaissent localement la température du tube externe (point froid).
De plus, le tube interne à forte épaisseur utilisé pour le transport d'hydrocarbures est inapproprié dans le cas de l'application GNL, étant donné que dans ce dernier cas, la pression de l'ef fluent est faible et que la corrosion est pratiquement nulle.
Enfin, l'isolant utilisé dans ces conduites de transport d'hydrocarbures n'offre pas forcément les meilleures performances aux températures cryogéniques concernées par la présente invention.
La présente invention vise à réaliser une conduite à tubes concentriques pour le transport de fluides à des températures cryogéniques, dans laquelle les pertes thermiques sont réduites au minimum et les ponts thermiques sont éliminés.
A cet effet, l'invention a pour objet une conduite du type comprenant deux tubes coaxiaux, l'un externe et l'autre interne, chacun de ces tubes étant formé de tronçons de tubes connectés bout à bout et l'espace tubulaire compris entre les deux tubes étant empli d'un isolant thermique, caractérisée en ce que
- le tube interne est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation, choisi parmi les matériaux tels que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young dudit matériau soit inférieur à 1,5 MPa/OK pour des températures comprises entre - 1600C et + 200C,
- le tube interne a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm,
- le tube externe est en acier et a une épaisseur de paroi supérieure à 10 mm, et
- l'isolant thermique a une conductivité thermique inférieure à 0,02 W/m.OK.
Selon un mode de réalisation particulier, le tube interne est réalisé en Invar.
Le tube interne est maintenu en position concentrique dans le tube externe par tout moyen approprié, par exemple au moyen de centreurs rigides en matière isolante. La matière isolante formant les centreurs a une conductivité thermique équivalente inférieure à 0,6 W/m.OK.
La conduite selon l'invention a de très faibles pertes thermiques, en raison de l'isolant spécifique utilisé, de l'élimination des ponts thermiques au niveau des zones de raccordement entre les tronçons de tubes et aussi parce que les centreurs en matière isolante n'évacuent pratiquement pas de chaleur.
De plus, la diminution d'épaisseur du tube intérieur réduit son poids et par conséquent son inertie thermique, ce qui entraîne un gain d'efficacité lors de la mise en service de la ligne. Les efforts de compression qui sont repris par les centreurs sont également diminués, ce qui élargit l'éventail du choix de la matière des centreurs.
En outre, l'étanchéité de la conduite est excellente puisque les tubes externes et internes sont soudés et non plus connectés au moyen de manchons comme dans la technique antérieure. L'isolant est donc protégé contre l'eau de mer et ses performances resteront invariables dans le temps. Le risque de corrosion du tube interne par l'eau de mer est complètement éliminé.
On décrira à présent un mode de réalisation de l'invention en regard de l'unique figure annexée qui représente une vue en coupe axiale d'un tronçon de conduite selon l'invention.
La conduite 10 représentée sur la figure comprend un tube externe 12 et un tube interne 14 d'axe commun x-x. Le tube interne véhicule un gaz naturel liquéfié à - 1610C. Il est réalisé en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation. Les matériaux qui conviennent pour le tube interne sont choisis de manière que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young du matériau soit inférieur à 1,5 MPa/OK. L'Invar remplit cette condition.
Le tube interne a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm. En raison de ces caractéristiques, le tube interne a une faible inertie thermique et se met rapidement à la température du GNL transporté.
Le tube externe est beaucoup plus résistant car il doit assurer la protection mécanique de la conduite. Il est en acier et a une épaisseur relativement plus importante, par exemple supérieure à 10 mm pour un diamètre de l'ordre de 760 mm.
Les tubes 12 et 14 sont réalisés respectivement en soudant bout à bout des tronçons de tube 121, 122,... et 141, 142,... par des cordons de soudure 16, 18.
Le tube interne 14 est maintenu en position concentrique par rapport au tube externe 12 par tout moyen approprié, par exemple au moyen de centreurs 20, réalisés en matière isolante de manière à éviter les ponts thermiques. Dans le mode de réalisation illustré par la figure, les centreurs sont constitués par des disques annulaires rigides en matière isolante. Les centreurs sont suffisamment rapprochés pour éviter la formation sur le tube interne d'une flèche trop importante entre les centreurs successifs. Toutefois, on diminuera autant que possible le nombre de centreurs afin de limiter les pertes thermiques.
A titre d'exemple, on donnera les caractéristiques d'une ligne pour le transport de méthane liquéfié ayant les dimensions suivantes
Longueur de la ligne 5000 m
Diamètre du tube interne 616 mm (24 pouces)
Diamètre du tube externe 760 mm (30 pouces)
Epaisseur du tube interne 3 mm
Epaisseur du tube externe 15 mm
Distance entre les centreurs 10 m.
Avec ces données, on obtient une flèche entre centreurs consécutifs de 1,5 mm.
Compte tenu des dimensions du tube interne et de la masse volumique de l'effluent (600 kg/m3), le poids que les centreurs doivent reprendre est de l'ordre de 250 kg/m. Des centreurs en isolant classique peuvent très bien reprendre cette charge.
L'annulaire est empli d'un isolant thermique approprié 22, adapté à la température du GNL. Le choix de cet isolant découle du coefficient d'échange thermique admissible de la ligne qui dépend lui-meme du taux d'évaporation admissible.
On peut calculer ce coefficient dans le cas de la ligne susmentionnée, compte tenu du fait que lors de la mise en froid du tube interne, il se crée un bouchon de vapeur. On supposera que les débits massiques liquide et vapeur sont respectivement de 300 kg/s de 25 kg/s, que la pression d'entrée est de 5 bars et que la pression de sortie est de 4 bars (donc A p = 1 bar). A partir du débit gazeux, on calcule le temps de descente en température, soit 27 mn, et à partir du débit liquide, on calcule le coefficient d'échange thermique admissible U, soit U = 0,36 W/m2. K. On en déduit le flux de chaleur par mètre linéaire, soit 110 W/m. Ce flux de chaleur se décompose en 100 W/m dans l'isolant et 10W par les centreurs. Un flux de 100 W/m correspond à une conductivité thermique de l'isolant de 0,017 W/m.OK. Cette conductivité correspondant à une catégorie de matériaux isolants existants. Les isolants à base de silice sous un vide industriel contrôlé (10 à 100 mbars) permettent d'obtenir la meilleure isolation thermique aux températures cryogéniques. D'autres isolants peuvent convenir suivant le taux d'évaporation admissible.
La conduite immergée dans la mer est généralement instable. Pour l'immobiliser on est parfois amené à la lester, par exemple en l'enrobant d'une couche de béton 24.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Conduite isolée thermiquement pour le transport de gaz naturel liquéfié, du type comprenant deux tubes coaxiaux, l'un externe (12) et l'autre interne (14), chacun de ces tubes étant formé de tronçons de tubes (121, 122...141, 142.. . ) connectés bout à bout et l'espace tubulaire compris entre les deux tubes étant empli d'un isolant thermique (22), caractérisée en ce que
- le tube interne (14) est réalisé en un matériau à faible coefficient de dilatation, choisi parmi les matériaux tels que le produit du coefficient de dilatation par le module d'Young dudit matériau soit inférieur à 1,5 MPa/OK pour des températures comprises entre - 1600C et + 200C,
- le tube interne (14) a une épaisseur de paroi inférieure à 6 mm,
- le tube externe (12) est en acier et a une épaisseur de paroi supérieure à 10 mm, et
- l'isolant thermique (22) a une conductivité thermique inférieure à 0,02 W/m.OK.
2. Conduite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube interne est réalisé en Invar.
3. Conduite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube interne est maintenu en position concentrique par rapport au tube externe par des centreurs (20) constitués par des disques annulaires rigides en matière isolante montés à des intervalles réguliers le long de la conduite.
4. Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce que la matière isolante constituant les centreurs a un coefficient de conductivité thermique équivalente inférieure à 0,6 W/mOK.
5. Conduite selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'isolant thermique (22) est à base de silice.
6. Conduite selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisée en ce que l'espace annulaire occupé par l'isolant thermique (22) est mis sous vide industriel contrôlé.
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