Dilatation et contraction thermiques et contrôle de ces forces dans un système de tuyauterie en plastique

De nombreux systèmes et constructions techniques se dilatent et se contractent sous l’effet des changements de température ambiante. Au cours de la dernière vague de chaleur, beaucoup d’entre nous ont connu des retards dans les transports en commun – en particulier les services ferroviaires – en raison de l’effet de la chaleur excessive sur les caténaires et les rails d’acier des chemins de fer. Les trains circulent à vitesse réduite pour limiter les contraintes sur les rails (afin qu’ils ne se déforment pas) et éviter qu’ils ne se prennent dans les caténaires en raison d’un affaissement excessif sous l’effet de la chaleur. De même, nous avons tous vu et senti des joints de dilatation en conduisant sur des ponts et des viaducs. Les systèmes de tuyauterie ne sont pas différents. Tous les matériaux de tuyauterie se dilatent et se contractent sous l’effet des changements de température du fluide et/ou des conditions ambiantes. Lorsque l’on travaille avec des matériaux de tuyauterie thermoplastiques, il est important de prendre en compte ces facteurs dans la conception. Une « règle empirique » pour les tuyaux en polyéthylène et en polypropylène est qu’ils se dilatent par 1/10/100 ; c’est-à-dire que 100 pieds de tuyau se dilateront (ou se contracteront) de 1 pouce pour chaque changement de température de 10 degrés F par rapport à la température d’installation.
Les valeurs réelles du coefficient de dilatation thermique linéaire, selon la norme ISO 11359-2, sont les suivantes : PPR : K^(-1) x 10^(-4) 1,5
PE100RC : K^(-1) x 10^(-4) 1,8
PVDF : K^(-1) x 10^(-4) 1.2
ECTFE : K^(-1) x 10^(-4) 0.8 Pour illustrer ceci, si 200 pieds de tuyau en polypropylène SDR 11 de 2″ sont installés à 70° F, et que l’installation est exposée à des températures ambiantes de 100° F, ce tronçon de 200 pieds voudra croître d’environ 6 pouces. Une croissance similaire, mais plus longue, est observée dans les tuyaux en polyéthylène. Asahi/America propose des tuyaux en PVDF et en ECTFE, qui augmentent respectivement de 0,80″ et de 0,53″ par Δ T de 10° F par 100 pieds de tuyau. Encore une fois, cette même croissance se produirait si la température du fluide passait de 70° F à 100° F. Comme le montre l’exemple ci-dessus, une croissance considérable peut se produire dans un système de tuyauterie de traitement thermoplastique, ce qui doit être traité correctement.
Pour les systèmes de tuyauterie à paroi simple, la dilatation et la contraction peuvent être traitées de plusieurs façons ; des décalages de dilatation, ou des boucles de dilatation, peuvent être construits dans le système pour s’adapter au mouvement. Des exemples de ce type, basés sur l’installation en polypropylène ci-dessus, sont présentés ici :

Si ces pieds ou boucles sont trop grands pour l’emplacement, il est possible d’en utiliser plusieurs pour rendre l’installation plus gérable. De plus, l’installation de la tuyauterie elle-même offre souvent des coudes, des chutes et des virages qui peuvent être intégrés naturellement dans les « boucles d’expansion ». Cependant, il arrive que ces dispositifs soient tout simplement trop grands ou trop encombrants à installer, et que d’autres méthodes doivent être employées. Certes, des soufflets de dilatation, des tuyaux flexibles et autres peuvent être utilisés, mais ils doivent être compatibles avec le fluide du procédé et les caractéristiques et conditions de fonctionnement. Ils peuvent également être volumineux et encombrants.

Une autre option consiste à envisager un système ancré et guidé. Asahi/America propose des produits en polyoléfine et en fluoropolymère. Lorsque les conditions le permettent, ces matériaux peuvent être maintenus fermement en position par des raccords de retenue et des guides. Cette méthode utilise la ductilité naturelle des matériaux pour accepter les contraintes générées par les forces de dilatation et de contraction et les diriger vers les raccords de retenue – qui agissent comme des blocs de poussée. Les forces appropriées sont fournies pour ancrer correctement le raccord de retenue à la structure. Cette méthode est couramment utilisée dans les canalisations, les tranchées et les tunnels où il n’est pas possible d’installer des boucles. Il est préférable d’installer des boucles et des pattes, car cela tend à minimiser les contraintes induites, mais dans de nombreux cas, la méthode d’ancrage et de guidage est acceptable. Des calculs peuvent être effectués pour confirmer ce type d’installation. Lorsque l’on travaille avec des systèmes de tuyauterie à double confinement, il faut tenir compte de la dilatation et de la contraction, mais il faut maintenant analyser deux mouvements de tuyauterie. Le tube porteur interne est soumis à la température initiale de l’installation et, le cas échéant, aux variations de température du fluide. Ceci doit être pris en compte par rapport à l’espace confiné du tuyau de confinement, qui est soumis aux variations de température ambiante, si le système de tuyauterie est installé au-dessus du niveau du sol. Des méthodes similaires peuvent être utilisées pour contrôler les tuyaux à simple paroi, mais il faut tenir compte des situations où le tuyau porteur peut se développer à l’intérieur d’un tuyau de confinement qui peut s’être contracté.

La plupart des systèmes de double confinement ont un espace annulaire « standard » entre les tuyaux, et il peut être nécessaire de l’agrandir (en augmentant la taille du tuyau de sortie du confinement) afin de fournir plus d’espace interne pour le déplacement du tuyau porteur. Une façon d’y parvenir serait de diriger le mouvement vers des coudes à 90 degrés et d’agrandir le 90 extérieur pour accepter le mouvement interne de la conduite.

Lorsque les tuyaux intérieurs et extérieurs sont du même matériau, des raccords de retenue à double confinement, appelés Dogbones®, peuvent être utilisés pour ancrer simultanément les tuyaux intérieurs et extérieurs. Cela permet au concepteur de traiter la croissance du double confinement d’une manière très similaire à l’ancrage et au guidage à paroi simple, et de minimiser, voire d’éliminer, le besoin de boucles de dilatation/contraction. Les tuyaux thermoplastiques se dilatent et se contractent à un point tel que ces actions doivent toujours être prises en compte, même si elles sont minimes et sans conséquence. Cependant, il arrive que ces mouvements et ces forces doivent être pris en compte, et nous venons d’explorer quelques-unes des méthodes les plus courantes pour y remédier. Asahi/America est bien équipée pour aider le concepteur à contrôler ces forces. Il existe des outils en ligne pour vous aider, comme notre calculateur d’expansion, et notre équipe de services techniques est prête à vous offrir des conseils approfondis et à concevoir des composants pour des applications spéciales.

AVIS DE L’ÉDITEUR : Veuillez noter que les informations contenues dans cet article sont uniquement destinées à des fins éducatives et ne remplacent pas les informations techniques ou les spécifications des produits d’Asahi/America.
Veuillez consulter le service technique d’Asahi/America au 1-800-343-3618 ou à l’adresse pipe@asahi-america.com pour toutes les applications de produits en ce qui concerne la sélection des matériaux en fonction de la pression, de la température, des facteurs environnementaux, des produits chimiques, des médias, de l’application, etc.