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La présente invention concerne la conception et la
fabrication de tubes en résines polyoléfiniques destinés à
constituer des canalisations de grandes longueurs. Elle
concerne également l'utilisation de ces tubes pour la
réalisation de telles canalisations par assemblage de tubes
successifs bout à bout. Elle vise plus particulièrement à
proposer des tubes de caractéristiques améliorées qui
puissent être mis en oeuvre par les mêmes techniques et les
mêmes pratiques que celles qui sont appliquées actuellement
de manière courante dans la mise en place de tubes en
résines polyoléfiniques, plus particulièrement les résines à
base de polyéthylène.
On sait notamment que l'on utilise des tubes de ce
type pour la pose des canalisations qui servent à la
distribution urbaine et interurbaine de fluides tels que le
gaz de ville, et que dans ces applications, il est usuel
d'assembler les tubes successifs au moyen de manchons
tubulaires, également en résines polyoléfiniques, qui
enveloppent les extrémités de deux tubes placés bout à bout
et qui sont soudés thermiquement sur ces extrémités des
tubes, sur tout leur pourtour, le chauffage nécessaire étant
réalisé à l'aide de résistances électriques incorporées dans
la masse des manchons lors de leur fabrication. On comprend
que cette technique d'assemblage a fait l'objet d'une longue
2S mise au point, qu'elle implique un savoir-faire acquis
durablement par les poseurs de canalisations et qu'il est
souhaitable de ne pas la modifier.
On comprend aussi que cette technique met à profit
la capacité qu'ont les matériaux thermo-plastiques à base de
résines polyoléfiniques, plus particulièrement le
polyéthylène et les copolymères d'éthylène, de se souder sur
eux-mêmes quand ils sont ramollis par chauffage. Mais ces
matériaux ont en contrepartie un certain nombre
d'inconvénients, en particulier une tendance au fluage sous
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pression à long terme ou à température élevée, des risques
de fissuration sous contrain-te mécanique, une Eaible
résistance à certains agents chimiques, une certaine
sensibilité à l'abrasion lors de la pose en tranchée. Pour
des canalisations qui doivent résister à la pression des
fluides à véhiculer ainsi qu'aux agents mécaniques ou
chimiques auxquels ils sont soumis, de l'in-térieur ou de
l'extérieur, pendant des durées d'utilisation de plusieurs
dizaines d'années, ceci impose l'emploi de tubes de forte
epaisseur. Le prix de ces tubes est donc élevé, et ceci non
seulement par la quantité de matière nécessaire, mais aussi
par suite d'une vitesse de produc-tlon relativement lente,
liée au débit limité des extrudeuses utilisées pour la
fabrica-tion de ces tubes. En outre, le poids et
l'encombrement constituent naturellement des inconvénients
dans le transport des tubes et la pose des canalisations.
Pour résoudre ces insuffisances des tubes connus,
tout en respectan-t la technique d'assemblage, la présente
invention propose des tubes pour la fabrication de
canalisations de grande longueur par assemblage bout à bout,
comportant une paroi formée dlau moins deux couches
intimement solidaires, comprenant au moins une âme consti-
tuée en une première matière comprenant essentiellement une
résine polyoléfinique réticulée et au moins une couche de
surface consti-tuée en une seconde matière comprenant
essentiellement une résine polyoléfinique sous forme thermo-
plastique et soudable thermlquement, le taux de réticulation dans la
matière de l'âme étant supérieur à 30~.
De préférence, la première matière résulte de la
réticulation en atmosphère humide d'une composition à base
d'une résine polyoléfinique greffée par réaction avec un
monomère portant au moins un groupement hydrolysable pour
donner lieu à des réactions de condensation, tel qu'un
groupement alcoxysilane insa-turé.
En fonction des utilisations auxquelles sont
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destinés le plus souvent les tubes selon l'invention, la
couche de surface ci-dessus est avantageusement présente à
l'extérieur des tubes, en enveloppe autour de l'ame.
Cependant, ce positionnement relatif n'est pas limitatiE
dans la mise en oeuvre de l'invention. Au contraire, la
couche de surface peut recouvrir seulement partiellement la
surface exterieure du tu~e, ou dans certains cas, il peut
être prévu une couche de surface thermoplastique et soudable
sur la surface interne du tube, en plus ou en remplacement
de la couche de surface constituée à l'extérieur.
Il est notamment avantageux, en combinaison avec
des tubes dont la paroi comporte une couche de surface
thermoplastique autour d'une âme en matière réticulée,
d'utiliser des manchons d'assemblage de ces tubes qui sont
constitués d'une manière analogue, mais avec la couche de
surface thermoplastique sur la face interne par rapport à
l'âme, pour réaliser l'assemblage par soudage thermique de
cette couche interne sur la couche de surface thermoplas-
tique présente à l'extérieur des tubes, en leurs extrémités
disposées bout à bout.
L'invention a donc également pour objet des
manchons tubulaires d'assemblage des tubes ci-dessus pour
former des canalisations de grande longueur, qui sont
caractérisés en ce qu'ils comportent au moins une âme
constituée d'une matière analogue à celle desdits tubes et
une couche de surface analogue à celle desdits tubes, propre
à être soudée sur cette dernière par des moyens de soudure
permettant d'assurer le soudage desdits manchons.
Ces moyens de soudure sont avantageusement
constitués par une résistance électrique de chauffage noyée
dans lesdits manchons.
Naturellement, de tels manchons peuvent être de
forme droite, ou de -forme coudée, ou comporter plusieurs
branches, en T ou en Y par exemple, pour réaliser toutes
_ 1~ 131~2q9
sortes de branchements ou dérivations sur les canalisa-
tions.
Suivant d'autreS formes de réalisation, les tubes
- selon llinvention peuvent être prévus pour permettre un
assemblage direct des tubes entre eux, au niveau des
extrémités de deux tubes successifs engagées l'une dans
l'autre. On applique alors une technique d'assemblage qui
est utilisée couramment dans la pose des canalisations en
tubes thermoplastiques dans l'habitat et qui consiste
essentiellement à dilater l'extrémité d'un tube pour former
une tulipe dans laquelle on engage l'extrémité du tube à
raccorder et à chauffer l'ensemble autour de la tulipe pour
assurer le soudage. La soudure est donc réalisée entre
l'extérieur d'un tube et la face interne de l'autre au
niveau de la tulipe. C'est pourquoi les tubes selon l'in- -
vention comportent pour cette application deux couches de
surface thermoplastiques, respectivement sur la face
interne et sur la face externe d'une âme tubulaire en
résine polyoléfinique réticulée.
Pour l'assemblage des tubes entre eux, par l'une
ou l'autre des techniques mentionnées, l'emploi d'unerésine polyoléfinique réticulée pour l'âme des tubes pré-
sente l'avantage supplémentaire de conduire à une matière
thermoréticulable. Cette propriété peut être mise à profit
pour assurer des efforts de pression favorables à un
soudage efficace.
Dans la fabrication des tubes selon l'invention,
ainsi éventuellement que dans celle des manchons d'assem-
blage, on peut avantageusement obtenir la liaison intime
qui rend la couche de surface étroitement solidaire de
l'âme, en réalisant la mise en forme des matières qui les
constituent, par extrusion ou par injection, avant de
provoquer la réticulation de la composition formant l'âme.
Ainsi, l'invention a aussi pour objet un procédé
de fabrication des tubes et/ou des manchons, qui se carac-
1 3 1 4299
térise en ce qu'il comporte la préparation d'une composi-tion
à base de polyolefine thermoplastique pour constituer la
couche de surface et la préparation d'une composition à base
de polyoléfine et d'alcoxysilane insature pour l'âme, la
mise en oeuvre desdites compositions par coextrusion pour
obtenir un élément tubulaire où elles forment deux couches
coaxiales constituant la paroi dudit élément, et
l'exposition dudit élément à une atmosph~re humide
: provoquant la réticulation de la composition constituant
l'âme, le taux de r~ticulation dans la matière de l'âme
étant supérieur à 30%.
On notera ici que pour obtenir le greffage de
l'alcoxysilane et la réticulation conduisant à la résine
réticulée de l'âme, on peut procéder en deux étapes ou en
une seule. Dans le premier cas la composition amenée à
l'extrusion contient l'alcoxysilane déjà greffé sur la
chaîne de polyoléfine par ouverture de sa liaison insaturée,
avec éventuellement les additifs classiques favorisant la
réticulation après extrusion, alors que dans le second la
réaction chimique de greffage s'effectue pendant
l'extrusion, à la température de l'extrusion et en présence
d'initiateurs classiques introduits a cet effet dans la
composition.
On comprendra aisément que dans les opérations de
coextrusion comme dans la constitution des parois des
éléments tubulaires, le nombre de couches n'est pas
nécessairement limité à deux. Au contraire, il peut être
avantageux, par exemple, de prévoir une couche intermédiaire
entre l'âme et la couche de surface, ou de prévoir une série
de couches intermédiaires de compositions progressivement
variables d'une couche à l'autre. Dans un mode de
réalisation préféré de l'invention où l'on utilise la même
résine polyoléfinique comme constituant essentiel pour l'âme
1 31 4299
et pour la couche de sur~ace, on peut notamment faire varier
progressivement, d'une couche à l'autre, la proportion
d'alcoxysilane, et donc le taux de réticulation de la
polyoléfine, étant entendu que ce taux de réticulation doit
rester suffisamment faible en surface du tube pour permettre
le soudage, et que dans la couche formant l'âme, il doit
être relativement élevé et suffisant pour apporter à
l'ensemble les améliorations recherchées en resistance
mécanique et en tenue à long terme.
lo Le taux de réticulation dans la matière de l'âme
qui doit être supérieur à 30% peut être compris entre 50 et
70%. Pour la couche de surface le taux de réticulation peut
être nul, mais il peut également être compris entre 2% et
5%, par exemple, avec alors l'avantage de conduire à une
résistance au cisaillement améliorée sans affecter
sensiblement la soudabilité.
Les compositions de polymères et copolymères de
polyoléfines réticulées par des alcoxysilanes insaturés sont
en elles-mêmes connues. Leur intérêt essentiel dans la
présente invention est de conduire, pour des épaisseurs de
paroi réduites, et donc des poids et des coûts de
fabrication et de mise en oeuvre plus faibles, à des
performances améliorées dans l'utilisation des tubes à base
de polyoléfines, notamment en ce qui concerne la résistance
mécanique et son comportement dans le temps. De ce point de
vue, on a pu vérifier, en particulier, par des essais de
fluage sous pression, que pour des contraintes supportables
équivalentes en début d'utilisation, la résistance des tubes
selon l'invention se trouve maintenue pendant des durées
beaucoup plus longues que les tubes classiques, ce qui est
éminemment favorable pour les applications à la fabrication
des canalisations. D'autres propriétés sont également
améliorées, comme la résistance à l'abrasion et la
~'
,
--
1 31 42~q
6a
résistance aux agressions chimiques, et là, il est de peu
d'importance que la couche de surface restant éventuellement
accessible le long des tubes soit relativement fragile, du
moment qu'elle a joué son r61e dans le soudage des
extrémités lors de l'assemblage des tubes.
: Les constituants à utiliser dans les compositions
- 7 ~ 1 31 ~299
servant à la fabrication des tubes selon l'invention, et
éventuell.ement de leurs manchons d'assemblage, sont en eux-
memes classiques, de meme que les critères présidant à leur
choix et au réglage de leurs proportions. Ainsi par
exemple, il est souvent souhaitable, selon l'invention,
d'utiliser comme polymère thermoplastique de base, du poly-
éthylène ou du polypropylène avec une préférence pour le
polyéthylène, ou les copolymères d'éthylène ou de propylène
avec des monomères compatibles, comme le propylène (pour
l'éthylène), le chlorure d'éthylène, ou l'acétate de
vinyle.
Quant aux agents de greffage et de réticulation
utilisés dans la composition constituant l'âme des éléments
tubulaires, ils peuvent être avantageusement choisis parmi
les silanes comportant d'une part une double liaison éthyl-
énique pour le greffage et portant d'autre part au moins
un, et de préférence au moins deux groupements capables,
par hydrolyse, de donner lieu à des réactions de conden-
sation, ce qui est le cas notamment des groupements alcoxy
comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, comme les radicaux
méthoxy et éthoxy. Un exemple préféré d'un tel silane est
le vinyltriméthoxysilane. Par ailleurs, les compositions
peuvent contenir des constituants secondaires classiques,
parmi lesquels en particulier, des promoteurs de polymé-
risation ~a-dicalaire et des catalyseurs dlhydrolyse des
alcoxysilanes.
On décrira maintenant plus en détails quelques
formes de réalisation particulières de l'invention qui en
feront mieux comprendre les caractéristiques essentielles
et les avantages, é~ant entendu toutefois que ces formes de
réalisation sont choisies à titre d~exemples et qu'elles ne
sont nullement limitatives. La description est illustrée
par les.figures 1 et 2 des dessins annexés, qui représen-
tent schématiquement, en coupe partielle :
3 - pour la figure 1 les extrémités de deux tubes
bout à bout, avec un manchon d'assemblage correspondant ;
- ~ - 1 31 ~29q
- pour la rigure 2 les extrémités de deux tubes
assemblées l'une dans l'au~re
Sur la figure 1, les deux tubes portent les réfé-
rences 1 et 2, tandis que le manchon d'assemblage porte la
référence 3. On a fait apparaltre que les tubes 1 et 2 sont
constitués chacun par une paroi de forme tubulaire cylin-
drique, qui comprend deux couches coaxiales de matière
plastique : une âme 4 du côté interne et une couche de
surface 5 du côté externe. De manière complémentaire, le
manchon 3 est dimensionné pour entourer les extrémités des
deux tubes, sans jeu notable, et sa paroi comporte égale-
ment deux couches cylindriques coaxiales, mais l'âme 6 est
disposée du côté externe et la couche de surface 7 est
disposée du côté interne. Le manchon 3 comporte en outre
des moyens de soudure constitués par une résistance
électrique schématisée en 8, qui est noyée dans la masse du
manchon, sensiblement à l'interface entre les deux couches.
On comprendra aisément que ces moyens de soudure
peuvent être également réalisés en chauffant le manchon de
l'extérieur tel que décrit plus loin.
Dans le mode de réalisation particulier considéré
ici, on admet que les tubes de l'invention sont fabriqués
par extrusion, alors que les manchons peuvent être réalisés
soit par extrusion~ soit par injection, sans que leurs qua-
lités en soient affectées. Mais dans tous les cas, onconstitue l7élement tubulaire, tube ou manchon, à partir
des compositions appropriées et aux dimensions désirées,
avec ses deux couches en contact intime l'une avec l'autre,
avant de provoquer la réticulation de la composition réti-
culable utilisée pour l'âme. C'est ainsi que l'on assure
leur solidarisation définitive
A titre d'exemple, on prépare deux compositions
différentes à base de polyéthylène, qui sont présentées à
l'entrée d'une extrudeuse à deux filières concentriques à
une température de l'ordre de 150 C à 250 C. La première
1 31 1~2~9
-- 3
composition1 ~limentant la filière ex~erne, est du poly-
éthylène de densité o~956 et d'indice de fluidité 0,1 a
190 C sous 2,16 bars. La seconde est une composition de
polyé~hylène réticulable, qui contient avec le polyéthylène
du vinyltrimétho~ysilanet dans une proportion de 1 à 2 % en
poids par rapport au poids total de la composition, ainsi
que du peroxyde de dicumyle dans la proportion de 0,05 à
0,2 ~ en poids et du dilaurate de dibutyl-étain dans une
proportion de l~ordre de 0,05 % en poids~ Ce polyéthylène
greffable et réticulable présente une densité de 0,948 et
un indice de ~luidité de 0,2 sous 2,16 bars à 190 C. Le
chauffage dans le mélangeur de l'extrudeuse réalise le
greffage du vinylsilane sur la chaîne de polyéthylène, par
ouverture des doubles liaisons éthyléniques favorisée par
le peroxyde organique.
L'élément tubulaire à deux couches coaxiales
obtenu à la sortie de l'extrudeuse est découpé en troncons
à la longueur de tube désirée, et ces tubes sont conservés
quelques jours exposés à l'humidité de l'air ambiant. Ceci
provoque la réticulation de la composition constituant la
couche interne, par hydrolyse des groupements triméthoxy-
silane greffés et condensation des silanols, cette réaction
étant catalysée par le sel d'étain présent dans la compo-
sition. Dans le tube final, seule cette couche interne, qui
constitue toutefois l'essentiel de l'épaisseur de parois,
est réticul-ée, alors que la couche de surface externe reste
sous forme thermoplastique.
En section, les dimensions sont les suivantes :
Diamètre extérieur du tube : 32,1 mm
3 Epaisseur totale de la paroi : 3,1-3,2 mm
Epaisseur de la couche externe : 0,4 mm en
moyenne.
Par ailleurs, en vue d'essais de résistance, on
!' découpe des tronçons d'environ 20 cm de longueur dans
l'élément tubulaire obtenu à la sortie de l'extrudeuse,
perpendiCulairement à l'axe, et on les soumet à hydrolyse
lo 1 31 ~29q
pendant 8 heures à ~30 ~C dans l'eau pour assurer la réti-
culation. ~près sechage, on les assemble deux à deux bout à
bout au moyen de manchonS thermosoudables traditionnels, du
type de ceux qui sont disponibles dans le commerce sous la
dénomination "Innogaz".
Les échantillons ainsi obtenus sont soumis, dans
un bac à BO C, à une pression hydrostatique telle que la
contrainte ~ soit de 4 MPa quand cette contrainte est
calculée par la formule :~'~= P ( D - e ) / 2 e ,
où D est le diamètre extérieur du tube, e est l'épaisseur
totale de la paroi, et P est la pression interne dans le
tube. Cette pression est ici égale à 0,85 MPa, soit
8,5 bars.
La contrainte est maintenue pendant 8800 heures
sur quatre échantillons semblables, sans que l'on puisse
constater la moindre défaillance.
Après un repos de 24 heures à 20 C, les memes
échantillons sont portés à une pression de 20 bars pendant
168 heures. Aucun éclatement n'est constatéO
En variante de l'exemple qui précède, on peut
réaliser le greffage et la réticulation du vinylméthoxy-
silane en deux étapes différentes, l'une avant, l'autre
après l'extrusion. Dans ce cas, on part d'un polyéthylène
préalablement greffé par chauffage, extrusion et granu-
lation, d'un mélange contenant le polyéthylène, le
vinyltriméthoxysilane et le peroxyde organique initiateur,
auquel on ajoute à l'alimentation de l'extrudeuse, un
mélange maître contenant le catalyseur de condensation par
hydrolyse. La composition présente un indice de ~luidite
30 0,5 SOUS S bars à 190 C.
On peut aussi faire varier plus largement la
proportion du silane insaturé hydrolysable, par exemple
entre 0,5 et 5 ~ en poids par rapport au poids total de la
composition.
Selon une autre variante, l'epaisseur totale de la
.
` A * Innogaz est une marque de commerce.
11 1 31 ~2q'~
paroi des tubes es~ comprise entre 10 et 15 mm, pour destubes de 150 mm de diamètre extérieur. Quan~ à l'épaisseur
de la couche de surface soudable thermiquement, elle peut
varier par exemple entre 0,1 et 2 ~m, et plus généralement
entre 0,05 et 5 mm.
Dans l~ensemble, par rapport aux tubes de poly-
éthylène classiques, l'invention permet une augmentation
très importante de la tenue sous pression dans le temps,
sans fluage, une amélioration importante des propriétés
mécaniques à chaud, la suppression des risques de fissu-
ration, l'augmentation de la résistance aux agents chimi-
ques et l'amélioration de la résistance à l'abrasion.
Toutes ces améliorations peuvent conduire par ailleurs, et
sans risques, à une réduction de l'épaisseur des tubes de
l'ordre de 50 %, par rapport à ceux réalisés actuellement
exclusivement en matériaux thermoplastiques, ce qui
implique des progrès techniques et économiques considéra-
bles, avec notamment une réduction importante du coût en
matières, l'augmentation corrélative des vitesses de
production, une augmentation sensible de la capacité de
transport des réseaux, du fait de la section accrue du trou
central des tubes.
Et cependant, ces tubes peuvent sans difficulté
être assemblés par thermosoudage au niveau de la couche de
surface ex-te-rne, par la technique usuelle. On peut utiliser
à cet effet des manchons existant actuellement dans le
commerce, comme on l'a déjà indiqué. Mais on peut aussi
- leur préférer des manchons également réalisés par le
procédé de l'invention, comme illustré par la figure 1.
3 De tels manchons comportent une couche de poly-
éthylène réticulé 6 sur leur face extérieure, et ils
présentent alors les mêmes avantages de résistance mécani-
que, thermique et chimique que les tubes. ~e plus, quand
elle est chauffée, elle subit un rétreint qui exerce sur
les tubes une pression favorable au soudage. La couche
thermosoudable de l'inté~ieur présente une épaisseur
12 - l 31 ~2qq
comprise entre 1 e~ 4 mm par exemple, et la résistance
incorporée dans les manchons perrnet de chauffer cette
couche à une température de l'ordre de 150 à 200 C pour
réaliser SOtl soudage sur la couche de surface externe des
tubes. De plus, le polyéthylène du manchon, au moins dans
cette couche thermosouda~le, est de préférence un
copolymere avec l~cétate de vinyle, dans la proportion de
30 ~ en poids, par exemple, par rapport au poids du
mélange, de sorte que sa capacité d'adhérence par thermo-
soudage est améliorée.
Enfin, on voit sur la figure 1 que la coucheinterne du ~anchon se prolonge en une couronne interne 9
dans la partie médiane du manchon. Lors de l'assemblage des
deux tubes bout à bout, cette couronne vient en fait
s'intercaler entre les extrémités des parois des tubes.
Dans le mode de réalisation illustré par la figure
2 les tubes 11 et 12 selon l'invention peuvent être assem-
blés entre eux sans qu'il soit besoin d'utiliser des man-
chons spéciaux. Ces tubes sont réalisés à partir des mêmes ~
compositions que ci-dessus, mais par coextrusion de trois
couches coaxiales. La couche centrale constitue l'âme 14,
en matière à base de polyoléfine réticulée. La couche
externe 1~ et la couche interne 17 sont toutes les deux
couches de surface en résine polyoléfinique restant à
l'état thè~oplastique, et donc thermosoudable. Dans une
fabrication industrielle, on fait passer les tubes découpés
à la sortie de l'extrudeuse dans un four tunnel où ils sont
exposés à une atmosphère de vapeur d'eau saturante à 100 C
dans laquelle il s'éjourne environ 2 h. La réticulation
ainsi assurée n'affecte que l'âme des tubes, seule à
renfermer la polyoléfine greffée avec le silane.
Pour effectuer l'assemblage des deux tubes 11 et
12, on forme d'abord une tulipe 13 en chauffant llextrémité
du tube 11 à sa température de ramollissement pendant qu'on
introduit dedans un mandrin de diamètre sensiblement égal
au diamètre extérieur du tube 12. On laisse la tulipe se
_ 13 1~ q9
refroidir à la tempér`ature ambiante et se durcir autour du
mandrin, avant de retirer ce dernier. On en~a~e ensuite
l'extrémité coopérante du tube 12 dans la tulipe 13 et l'on
chauffe celle~ci de l~extérieur à la température appropriée
pour assurer le soudage thermique de la couche de surface
interne du tube 11 sur la couche de surface externe du tube
12. Le refroidissement final de la tulipe provoque un
rétreint de celle-ci, du fait même de la nature de la
résine polyoléfinique réticulée constituant l'âme, ce qui
ajoute à l'efficacité de l'adhérence entre les deux couches
- thermoplastiques soudées ensemble.
Naturellement, l'invention n'est en rien limitée
par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui
précède ou par les détails des modes de réalisation parti-
culiers choisis pour illustrer l'invention. Toutes sortesde variantes peuvent y être apportées sans sortir pour
autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe
ainsi tous les moyens constituant des équivalents techni-
ques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.
