Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02911198 2015-11-04
1
Conduit de transport d'un fluide chauffé électriquement
Le secteur technique de la présente invention est celui
des conduits de transport de fluides tels que les
hydrocarbures.
Il est classique d'utiliser des conduites thermiquement
isolées pour acheminer certains hydrocarbures sujets au
figeage ou au blocage, un exemple particulièrement important
étant celui des hydrocarbures bruts transportés entre les
puits d'extraction sous-marins et une unité de traitement
centrale disposée sur une plateforme distante de plusieurs
kilomètres. Cependant, si la conduite isolée permet de
limiter le refroidissement des hydrocarbures à une valeur
acceptable dans une situation d'écoulement, elle ne peut
empêcher le blocage dans une situation d'arrêt. L'exploitant
dispose alors de diverses solutions comme par exemple
l'installation d'une deuxième conduite parallèle à la
première et reliée à celle-ci à son extrémité, de manière à
ce qu'en cas d'arrêt des puits de production il puisse purger
la ligne avec un fluide inerte, stocké et pompé à partir de
la plateforme centrale. D'autres méthodes comprennent
l'injection de produits chimiques prévenant le blocage. Ces
solutions conduisent cependant à l'installation de conduites
supplémentaires et d'équipements lourds sur la plateforme.
Les conduits de transport des hydrocarbures peuvent être
chauffés pour éviter la formation de bouchons à l'intérieur
du conduit, comme par exemple dans les raffineries ou
d'autres lieux sensibles au gel. Des câbles électriques de
chauffage peuvent alors être disposés le long du conduit à
cet effet. On prévoit généralement en outre une couche
d'isolation thermique autour des câbles de chauffage pour
diminuer les pertes de chaleur dans le milieu environnant et
améliorer l'efficacité du chauffage du fluide transporté et
son maintien en température. En fonction de la qualité de
l'isolation thermique, un flux de chaleur plus ou moins
important est dissipé dans le milieu environnant du conduit.
La chaleur dissipée est généralement compensée par un apport
de puissance développée par les câbles de chauffage.
2
Le brevet US-6145547 enseigne un tube double enveloppe
dans lequel un matériau à pores ouverts mis à pression
réduite permet une nette amélioration de l'isolation
thermique. Des câbles de chauffage électriques par effet
Joule peuvent être disposés dans un tel conduit, toutefois on
constate que les câbles électriques de chauffage se dégradent
rapidement dans un tel environnement lorsque la tension
d'alimentation dépasse quelques centaines de volt. La
détérioration des câbles électriques de chauffage provoque à
/0 terme un court-circuit et une panne du système de chauffage
électrique. L'apport de puissance dans chaque câble de
chauffage se trouve donc limité pour éviter leur dégradation.
Cet apport limité de puissance dans chaque câble doit être
compensé par une isolation thermique particulièrement
/5 efficace pour éviter un nombre important de points
d'alimentation en énergie électrique.
La présente invention a pour but de pallier les
inconvénients de l'art antérieur en fournissant un conduit de
transport chauffé par des câbles électriques par effet Joule
20 permettant un apport de puissance important dans chaque câble
de chauffage tout en conservant une isolation thermique
efficace.
Selon un premier aspect général, il est proposé un
conduit chauffé de transport d'un fluide comprenant :
25 - une enveloppe de transport du fluide,
- au moins un câble de chauffage électrique disposé le
long de l'enveloppe de transport, ledit au moins un câble
comprenant une âme électriquement conductrice disposée dans
une gaine électriquement isolante et thermiquement
30 conductrice,
- un matériau thermiquement isolant appliqué sur ledit au
moins un câble de chauffage et sur l'enveloppe de transport,
- une enveloppe extérieure disposée autour du matériau
thermiquement isolant et faisant partie intégrante de
35 l'enveloppe de transport de façon étanche pour définir au
moins un espace annulaire, et une pression dans ledit au
moins espace annulaire étant inférieure à une pression
atmosphérique, et au moins une couche extérieure en matériau
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
2a
électriquement conducteur configurée pour réduire des
décharges électriques partielles entre ledit au moins un
câble de chauffage et l'enveloppe de transport, ladite au
moins une couche extérieure en matériau électriquement
conducteur ayant une épaisseur comprise entre 1 pm et 2000
pm, ladite au moins une couche extérieure en matériau
électriquement conducteur étant (i) appliquée sur ladite
gaine en matériau électriquement isolant dudit au moins un
câble de chauffage, et (ii) positionnée pour s'étendre autour
/0 d'au moins une majorité d'une circonférence dudit au moins un
câble de chauffage.
Selon un autre aspect général, il est proposé un conduit
chauffé de transport d'un fluide comprenant :
- une enveloppe de transport du fluide,
/5 - au moins un câble de chauffage électrique disposé le
long de l'enveloppe de transport, ledit au moins un câble
comprenant une âme électriquement conductrice disposée dans
une gaine électriquement isolante et thermiquement
conductrice,
20 - un matériau thermiquement isolant appliqué sur ledit au
moins un câble de chauffage et sur l'enveloppe de transport,
- une enveloppe extérieure disposée autour du matériau
thermiquement isolant et faisant partie intégrante de
l'enveloppe de transport de façon étanche pour définir au
25 moins un espace annulaire, et une pression dans ledit au
moins espace annulaire étant inférieure à une pression
atmosphérique, et
au moins une couche extérieure semi-conductrice
configurée pour réduire des décharges électriques partielles
30 entre ledit au moins un câble de chauffage et l'enveloppe de
transport, ladite au moins une couche extérieure semi-
conductrice étant appliquée sur ladite gaine en matériau
électriquement isolant dudit au moins un câble de chauffage,
et ladite au moins une couche extérieure semi-conductrice
35 ayant (i) une épaisseur comprise entre 20 pm et 2000 pm, et
(ii) un matériau isolant électriquement formant une matrice
dans laquelle des particules de carbone sont incluses, la
concentration des particules de carbone permettant de
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
2b
réaliser une liaison électrique continue à travers la
matrice.
Selon un autre aspect général, il est proposé un conduit
chauffé de transport d'un fluide comprenant :
- une enveloppe de transport du fluide,
- au moins un câble de chauffage électrique disposé le
long de l'enveloppe de transport, ledit au moins un câble
comprenant une âme électriquement conductrice disposée dans
une gaine électriquement isolante et thermiquement
/0 conductrice,
- un matériau thermiquement isolant appliqué sur ledit au
moins un câble de chauffage et sur l'enveloppe de transport,
- une enveloppe extérieure disposée autour du matériau
thermiquement isolant et faisant partie intégrante de
/5 l'enveloppe de transport de façon étanche pour définir au
moins un espace annulaire, et une pression dans ledit au
moins espace annulaire étant inférieure à une pression
atmosphérique, et
au moins une couche intérieure semi-conductrice
20 configurée pour réduire des décharges électriques partielles
entre ledit au moins un câble de chauffage et l'enveloppe de
transport, ladite au moins une couche intérieure semi-
conductrice étant appliquée entre l'âme électriquement
conductrice et l'enveloppe de transport de fluide, et ladite
25 au moins une couche intérieure semi-conductrice ayant (i) une
épaisseur comprise entre 20 pm et 2000 pm, et (ii) un
matériau isolant électriquement formant une matrice dans
laquelle des particules de carbone sont incluses, la
concentration des particules de carbone permettant de
30 réaliser une liaison électrique continue à travers la
matrice.
Selon un autre aspect général, il est proposé un conduit
chauffé de transport d'un fluide comprenant :
- une enveloppe de transport du fluide,
35 - au moins un câble de chauffage électrique disposé le
long de l'enveloppe de transport, ledit au moins un câble
comprenant une âme électriquement conductrice disposée dans
une gaine électriquement isolante et thermiquement
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
2c
conductrice,
- un matériau thermiquement isolant appliqué sur ledit au
moins un câble de chauffage et sur l'enveloppe de transport,
- une enveloppe extérieure disposée autour du matériau
thermiquement isolant et faisant partie intégrante de
l'enveloppe de transport de façon étanche pour définir au
moins un espace annulaire, et une pression dans ledit au
moins espace annulaire étant inférieur à une pression
atmosphérique, et
/0 au moins un gaz d'isolation configuré pour réduire des
décharges électriques partielles entre ledit au moins un
câble de chauffage et l'enveloppe de transport, ledit au
moins un gaz d'isolation ayant une pression partielle
comprise entre lmbar et 1000 mbar introduit dans ledit espace
/5 annulaire et se répandant jusqu'au conduit de transport,
ledit gaz d'isolation représentant 30 à 100% de l'ensemble de
la masse du gaz dans ledit espace annulaire.
D'autres exemples optionnels sont décrits. Par exemple,
il est proposé un conduit chauffé de transport d'un fluide
20 comprenant :
- une enveloppe de transport du fluide,
- un ou plusieurs câbles de chauffage électrique disposés
chacun le long de l'enveloppe de transport, chaque câble
comprenant une âme électriquement conductrice disposée dans
25 une gaine électriquement isolante et thermiquement
conductrice,
- un matériau thermiquement isolant appliqué sur ledit ou
lesdits câbles de chauffage et sur l'enveloppe de transport,
- une enveloppe extérieure disposée autour du matériau
30 thermiquement isolant et solidarisée à l'enveloppe de
transport de façon étanche pour définir au moins un espace
annulaire permettant sa mise à pression réduite,
caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs moyens
de réduction des décharges électriques partielles entre ledit
Date Reçue/Date Received 2022-03-22
CA 02911198 2015-11-04
3
ou lesdits câbles de chauffage et l'enveloppe de transport.
Selon une particularité de l'invention, les moyens de
réduction des décharges électriques partielles comprennent au
moins une couche extérieure en matériau électriquement
conducteur, d'épaisseur comprise entre 1 pm et 2000 pm,
appliquée sur ladite gaine en matériau électriquement isolant
de chaque câble de chauffage.
Selon une autre particularité de l'invention, les moyens
de réduction des décharges électriques partielles comprennent
/0 une couche extérieure semi-conductrice, d'épaisseur comprise
entre 20 pm et 2000 pm, appliquée sur ladite gaine en
matériau électriquement isolant de chaque câble de chauffage,
la couche extérieure semi-conductrice comprenant un matériau
électriquement isolant formant une matrice dans laquelle des
/5 particules de carbone sont incluses, la concentration des
particules de carbone permettant de réaliser une liaison
électrique continue à travers la matrice.
Selon une autre particularité de l'invention, les moyens
de réduction des décharges électriques partielles comprennent
20 une couche intérieure semi-conductrice, d'épaisseur comprise
entre 20 gra et 2000 pm, disposée entre ladite âme et ladite
gaine de chaque câble, la couche intérieure semi-conductrice
comprenant un matériau électriquement isolant formant une
matrice dans laquelle des particules de carbone sont
25 incluses, la concentration des particules de carbone
permettant de réaliser une liaison électrique continue à
travers la matrice.
Selon une autre particularité de l'invention, les moyens
de réduction des décharges électriques partielles comprennent
30 au moins un enduit d'isolation électrique d'épaisseur
comprise entre 100 pm et 1000 pm appliqué sur l'enveloppe de
transport.
Selon une autre particularité de l'invention, ledit
enduit d'isolation électrique comprend des polymères à
35 coefficient d'émission d'électrons inférieur à celui de
l'acier.
Selon une autre particularité de l'invention, ledit
enduit d'isolation électrique comprend des polymères époxyde.
CA 02911198 2015-11-04
4
Selon une particularité de l'invention, les moyens de
réduction des décharges électriques partielles comprennent au
moins un gaz d'isolation de pression partielle comprise entre
1 mbar et 1000 mbar introduit dans ledit espace annulaire et
se répandant jusqu'au conduit de transport, ledit gaz
d'isolation représentant 30 à 100% de l'ensemble de la masse
du gaz dans ledit espace annulaire.
Selon une autre particularité, le gaz d'isolation est un
gaz électronégatif.
/0 Selon une autre particularité de l'invention, le gaz
d'isolation est choisi parmi l'hexafluorure de soufre, le
tétrachlorure de carbone ou le chloroforme.
Selon une autre particularité de l'invention, la pression
partielle du gaz d'isolation est comprise entre lmbar et
50mbar.
Selon une autre particularité de l'invention, le gaz
d'isolation représente moins de 100% du gaz présent dans
ledit espace annulaire qui comprend en outre un ou plusieurs
autres gaz ayant chacun une conductivité thermique inférieure
ou égale à 27 mW.m-1.K-1.
Selon une autre particularité de l'invention, ledit ou
lesdits autres gaz comprennent de l'air ou de l'azote.
Selon une autre particularité de l'invention, l'annulaire
est mis à pression réduite.
Selon une autre particularité de l'invention, les moyens
de réduction des décharges électriques partielles sont
agencés de façon à empêcher les décharges électriques
partielles pour une tension d'alimentation dudit ou desdits
câbles électriques de chauffage d'au moins 300V pour une
pression réduite dans l'espace annulaire comprise entre 1
mbar et 100 mbar.
Un tout premier avantage est que le conduit de transport
de fluide peut être conçu de manière globalement compacte
grâce à la combinaison d'une isolation thermique efficace
sous pression réduite et de câbles électriques de chauffage
par effet Joule de faible diamètre typiquement inférieur à 10
mm voire à 5 mm. Un apport de puissance important peut ainsi
être réalisé sans détérioration prématurée des câbles.
CA 02911198 2015-11-04
Un avantage de la présente invention est encore que les
moyens de réductions des décharges partielles dans
l'annulaire peuvent permettre d'atteindre des tensions de
1000V voire de 3000V et permettre ainsi un apport de
5 puissance de chauffage efficace par chaque câble s'étendant
le long d'un espace annulaire continu à pression réduite de
plusieurs kilomètres voire de plusieurs dizaines de
kilomètres.
Un autre avantage de la présente invention réside dans le
/0 fait que l'espace annulaire après avoir été équipé des moyens
de réduction des décharges électriques partielles conserve
durablement ses caractéristiques d'isolation thermique
combinées à une puissance électrique disponible importante.
Un avantage de la présente invention est encore qu'elle
s'applique aux annulaires s'étendant sur toute la longueur du
conduit comme aux annulaires segmentés alimentés
individuellement.
Un avantage de la présente invention réside aussi dans le
fait que les conduits existants à double enveloppe chauffés
électriquement et comprenant un espace annulaire à pression
réduite peuvent aisément être équipés de moyens de réduction
des décharges électriques partielles selon l'invention et
ainsi permettre un apport de puissance électrique plus
important pour une même section de fil électrique lors de
leur utilisation.
Un autre avantage de la présente invention est qu'elle
permet à un exploitant pétrolier d'installer une ligne de
production d'hydrocarbures avec des équipements peu
encombrants sur la plateforme, ce qui est particulièrement
avantageux notamment dans les cas d'installations de raccords
avec de nouveaux puits sur une plateforme existante. La
puissance électrique de chauffage est intrinsèquement faible
et tous les équipements utilisés généralement pour les phases
de démarrage et d'arrêt d'une conduite passive, c'est-à-dire
non chauffée, peuvent donc être fortement réduits. De tels
équipements sont par exemple des équipements d'injection de
produits fluidifiants ou de fluides inertes de remplacement
et des équipements de purge ou chauffage de ces fluides.
CA 02911198 2015-11-04
6
Un autre avantage d'un tel type d'installation est
qu'elle permet une fermeture immédiate d'une ligne de
production, une telle fermeture ne nécessitant pas de purger
la ligne dans un temps limité ce qui diminue les risques
d'accidents et améliore la sureté des opérateurs.
D'autres caractéristiques, avantages et détails de
l'invention seront mieux compris à la lecture du complément
de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à
titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :
/0 - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale
d'un conduit chauffé de transport de fluide,
- la figure 2 représente un détail de la figure 1,
- la figure 3 représente une vue en coupe transversale
d'un conduit chauffé de transport de fluide,
/5 - la figure 4 représente un procédé de mise en uvre d'un
conduit chauffé de transport de fluide équipé de moyens de
réduction des décharges électriques partielles, procédé
comprenant l'injection d'un gaz d'isolation dans l'espace
annulaire,
20 - la figure 5 représente une vue en coupe transversale
d'un exemple de câble de chauffage,
- les figures 6 et 7 représentent chacune une vue en
coupe transversale d'un câble de chauffage équipé de moyens
de réduction des décharges électriques partielles se
25 présentant sous la forme d'une ou plusieurs couches
additionnelles,
- la figure 8 représente un détail de l'aménagement d'un
câble de chauffage par rapport à des moyens de réduction des
décharges électriques partielles comprenant un enduit
30 d'isolation appliqué sur le conduit de transport,
- la figure 9 représente une vue en coupe longitudinale
d'un conduit chauffé de transport de fluide comprenant un
espace annulaire segmenté longitudinalement, et
- la figure 10 représente une vue en coupe longitudinale
35 d'un conduit chauffé de transport de fluide comprenant un
espace annulaire s'étendant tout le long du conduit.
L'invention va à présent être décrite avec davantage de
détails.
CA 02911198 2015-11-04
7
La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale
d'un conduit 1 chauffé de transport de fluide. Le conduit
chauffé 1 comprend une enveloppe de transport 2 disposée dans
une enveloppe extérieure 7. Les enveloppes 2 et 7 sont
reliées à leur extrémité par des couronnes 9 de renfort.
L'espace annulaire 8 délimité par l'enveloppe extérieure 7 et
l'enveloppe de transport 2 est fermé de façon étanche. Les
passages des câbles électriques ou les orifices de mise en
pression n'ont pas été représentés à la figure 1 pour des
/0 raisons de clarté.
L'espace annulaire 8 peut être mis à pression réduite
c'est-à-dire une pression inférieure à la pression
atmosphérique. Ses propriétés d'isolation thermique sont
ainsi optimisées.
/5 L'espace annulaire peut également être laissé à la
pression atmosphérique. L'isolation thermique est alors
dégradée par rapport à un espace annulaire à pression
réduite. Pour améliorer les propriétés d'isolation thermique
il est préférable de réduire la pression dans l'espace
20 annulaire.
On peut aussi établir une pression forcée dans l'espace
annulaire, c'est-à-dire supérieure à la pression
atmosphérique, mais les propriétés d'isolation thermique se
trouvent alors encore dégradées.
25 Un matériau thermiquement isolant 6 est disposé dans
l'espace annulaire. Ce matériau thermiquement isolant tel que
représenté permet notamment de supporter l'enveloppe
extérieure 7 lors du montage. Un matériau thermiquement
isolant plus souple nécessitant des écarteurs pour assurer la
30 fonction de support est également envisageable.
Par ailleurs, le matériau thermiquement isolant 6 qui
remplit l'espace annulaire est un matériau à pores ouverts
pour permettre sa mise sous pression réduite. Le matériau 6
thermiquement isolant est disposé sur les câbles électriques
35 de chauffage 3 et sur l'enveloppe de transport 2 pour
favoriser le chauffage de l'enveloppe de transport 2.
L'intérieur de l'espace annulaire 8 comprend un mélange
gazeux déterminé à une pression déterminée. La pression dans
CA 02911198 2015-11-04
8
l'espace annulaire est par exemple comprise entre 1 mbar et
1000 mbar, soit 102 à 105 Pa. Ce mélange gazeux peut
comprendre de l'air ou de l'azote.
Sur la figure 1, deux câbles ont été schématiquement
représentés mais le conduit peut comprendre bien-entendu un
nombre plus important de câbles, comme par exemple douze
câbles, comme représenté en coupe à la figure 3. On peut
aussi envisager un câble unique pour le chauffage.
Des câbles de chauffage peuvent former chacun une boucle
mise sous tension ou des groupes de trois câbles de chauffage
peuvent être alimentés par une alimentation triphasée selon
un montage en triangle ou en étoile. On peut également
prévoir des groupes d'un nombre de câbles multiple de trois,
comme par exemple six câbles par groupe, chaque groupe étant
alimenté par une alimentation triphasée.
Comme représenté à la figure 2, chaque câble 3 comprend
au moins une âme électriquement conductrice disposée dans une
gaine électriquement isolante et thermiquement conductrice.
Les câbles électriques de chauffage peuvent présenter une
structure simple et relativement peu onéreuse ou des câbles
spécifiques combinant un nombre plus important de matériaux
peuvent également être employés, comme il sera décrit
ultérieurement.
On a représenté aux figures 1 et 2, des câbles 3
légèrement ondulés pour mieux illustrer l'invention, mais
l'invention s'applique bien-entendu de la même façon pour des
câbles tendus contre le tube intérieur 2.
Le matériau 6 thermiquement isolant s'adapte au profil
des câbles 3 et les enveloppe partiellement. Les câbles 3 de
chauffage installés ici directement le long de l'enveloppe de
transport sont disposés en partie contre l'enveloppe de
transport 2 et en partie à faible distance de celle-ci, comme
illustré à la figure 2. Cette disposition entraîne
l'apparition de portions de câbles électriquement chargées en
surface dans les zones de ces câbles situées à distance de
l'enveloppe de transport 2, lorsque le câble est alimenté
électriquement.
De la même manière, dans les zones où le câble est en
CA 02911198 2015-11-04
9
contact avec la conduite de transport, des différences de
potentiel circonférentielles peuvent apparaître entre les
parties du câble en regard à la conduite et les parties du
câble opposées à la conduite, lorsque le câble est alimenté
électriquement.
Lorsque la tension d'alimentation d'un câble de chauffage
3 dépasse un seuil critique, l'accumulation de charges en
surface du câble provoque une décharge électrique partielle
entre cette zone chargée du câble et l'enveloppe de transport
2 tandis qu'une ionisation du milieu gazeux environnant se
produit.
En effet, même si le modèle classique de Paschen pour
déterminer la tension de décharge partielle entre deux
électrodes métalliques séparées par un gaz n'est pas
directement applicable, les travaux de recherche ont montré
que les câbles de chauffage sont également sujets à l'effet
corona et aux décharges électriques partielles.
Les travaux de recherche ont ainsi montré que ces
décharges électriques partielles peuvent se produire entre
l'enveloppe de transport et la surface extérieure du câble
chauffage lorsqu'une accumulation trop importante de charges
se produit sur la surface du câble pour une tension
déterminée à l'intérieur du câble.
Les travaux de recherche ont montré également que les
décharges partielles sont favorisées du fait des basses
pressions et des tensions électriques importantes dans les
câbles.
Les travaux de recherche ont montré par ailleurs que
chaque décharge partielle a pour effet de détériorer le câble
de chauffage à l'endroit où elle se produit et ainsi que les
décharges électriques partielles conduisaient à la
dégradation de la partie électriquement isolante de chaque
câble du fait de nombreuses décharges partielles, conduisant
ensuite à une destruction locale de l'isolant et à un court-
circuit.
La présente invention utilise avantageusement des moyens
de réduction des décharges électriques partielles entre les
câbles électriques et l'enveloppe de transport.
CA 02911198 2015-11-04
Les conduits chauffés électriquement par effet Joule
selon l'invention peuvent être utilisés à terre, sous terre
ou en mer.
Des premiers moyens de réduction des décharges
5 électriques partielles consistent à utiliser dans l'espace
annulaire un mélange gazeux comprenant un gaz d'isolation
électrique représentant 30 à 100% de la masse du mélange
gazeux. Le gaz d'isolation est par exemple de l'hexafluorure
de soufre S-F6, du chloroforme H-C13 ou du tétrachlorure de
10 carbone C-C14. Ces exemples de gaz sont dits électronégatifs
et ils permettent de piéger les électrons libres pouvant
mener à la création de décharges partielles.
Le gaz d'isolation est par exemple complété par de l'air
ou par de l'azote. Un mélange gazeux dans l'annulaire
comprend par exemple 50% d'azote et 50% de S-F6.
Le ou les gaz ajoutés au gaz d'isolation électrique
présentent de préférence une conductivité thermique
inférieure ou égale à 27 mW.m-1.K-1.
La puissance dissipée par conduction au travers d'une
lame d'air immobile (en mW) peut être calculée par le produit
de la conductivité thermique (en mW.m-1.K-1), du gradient de
température (en K) et de la surface (en m2) divisé par
l'épaisseur de la lame d'air (en m).
La pression partielle de gaz d'isolation est par exemple
comprise entre 1 à 1000 mbar et préférentiellement entre 1 et
50 mbar.
De façon surprenante, un gaz électronégatif tel que
l'hexafluorure de soufre S-F6 est utilisé à des pressions
très faibles par rapport aux usages connus d'un tel gaz.
La figure 4 représente un procédé de mise en uvre d'un
conduit chauffé de transport de fluide comprenant un gaz
d'isolation électrique à pression réduite injecté dans son
espace annulaire.
Tout d'abord, on dispose les câbles de chauffage
électriques autour de l'enveloppe de transport du fluide et
le long de cette dernière. Chaque câble comprend une âme
électriquement conductrice disposée dans une gaine
électriquement isolante et thermiquement conductrice.
CA 02911198 2015-11-04
11
On dispose ensuite un matériau thermiquement isolant
autour des câbles électriques de chauffage. Des bandes de
serrage maintiennent les plaques de matériau thermiquement
isolant autour des câbles. Le matériau thermiquement isolant
à pores ouvert, réalisé par exemple à partir de silice
pyrogénée, renferme un volume important de gaz. Un bloc de
matériau isolant à pores ouverts comprend par exemple entre
50% et 95% en volume de gaz.
On introduit ensuite l'enveloppe intérieure et le
/0 matériau thermiquement isolant dans une enveloppe extérieure.
Cette enveloppe extérieure est ensuite solidarisée de
façon étanche à l'enveloppe intérieure, au moins aux deux
extrémités du conduit ou aux deux extrémités de chaque
tronçon. L'enveloppe extérieure délimite ainsi un espace
annulaire étanche pouvant être mis à pression réduite.
On réalise ensuite un pompage de l'air dans l'espace
annulaire. L'air est pompé jusqu'à une pression résiduelle
inférieure à la pression finale que l'on veut obtenir. La
pression résiduelle est par exemple inférieure à 50% de la
pression finale. Le pompage est réalisé en activant une pompe
reliée de façon étanche à l'espace annulaire.
Le pompage peut être réalisé via un orifice dans une
couronne de renfort ou via un orifice percé dans l'enveloppe
extérieure et destiné à être scellé ultérieurement.
On introduit ensuite dans l'espace annulaire un gaz
d'isolation. Le gaz d'isolation est introduit jusqu'à ce que
la pression finale désirée soit atteinte. Le gaz d'isolation
provient par exemple d'un réservoir en communication de façon
étanche avec l'espace annulaire.
Enfin, on scelle définitivement l'espace annulaire
étanche. L'espace annulaire comprend ainsi un mélange gazeux
comprenant une fraction de gaz d'isolation électrique.
La mise à pression réduite peut aussi être réalisée
directement à la pression finale sans l'étape d'injection du
gaz d'isolation, d'autres moyens de réduction des décharges
électriques partielles étant alors mis en uvre.
Dans le cas de tronçons comprenant chacun un espace
annulaire, les tronçons sont chacun préparé en usine avant
CA 02911198 2015-11-04
12
leur assemblage pour former le conduit.
L'espace annulaire peut être scellé dans un environnement
contrôlé de façon à ce que le mélange gazeux qu'il contient
soit composé à 100% par du gaz d'isolation électrique.
Dans le cas d'un conduit comprenant un annulaire continu,
les tronçons sont assemblés pour former l'espace annulaire
qui est ensuite conditionné par le procédé selon l'invention.
L'espace annulaire après avoir reçu le mélange gazeux
comprend au moins un gaz d'isolation électrique de pression
/0 partielle comprise entre 1 à 1000 mbar et représentant 30% à
100% de la masse du mélange gazeux. Avantageusement, le
conduit après avoir été définitivement scellé conserve ses
caractéristiques d'isolation thermique combinées à une
puissance électrique disponible importante tout au long de sa
vie. Un autre avantage de la présente invention est ainsi que
le gaz d'isolation demeure confiné dans l'annulaire.
La figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un
exemple de câble de chauffage. Le câble de chauffage peut
être un câble comprenant une âme conductrice 100 et une gaine
101 en matériau électriquement isolant.
L'âme conductrice 100 est par exemple un fil monobrin ou
un fil tressé multibrins, le ou les brins pouvant être
réalisés en cuivre, en acier, en fer, en aluminium ou en
alliage d'un de ces matériaux.
La gaine électriquement isolante 101 entoure l'âme 100.
Cette gaine 101 est par exemple en matière plastique telle
que le tetra-fluoroéthylène, le polyéthylène (PE), la
silicone, l'éthylène-propylène (EPR), le polyéthylène
réticulé chimiquement (PRC) ou le polychlorure de vinyle
(PVC).
L'âme 100 présente par exemple un diamètre compris entre
0,5 mm et 5 mm et la couche 101 en matériau électriquement
isolant présente par exemple une épaisseur comprise entre 50
pm et 1000 pm.
Des seconds moyens de réduction des décharges électriques
partielles consistent à utiliser des câbles électriques de
chauffage spécifiques tels ceux représentés aux figures 6 et
7.
CA 02911198 2015-11-04
13
La figure 6 représente une vue en coupe transversale d'un
câble de chauffage équipé de moyens de réduction des
décharges électriques partielles se présentant sous la forme
d'une couche extérieure dopée. La couche 102 extérieure dopée
présente une épaisseur comprise entre 20 pm et 2000 pm et est
appliquée sur ladite gaine 101 en matériau électriquement
isolant de chaque câble de chauffage 3e.
La couche 102 extérieure dopée réalise un drainage des
charges à la surface extérieure du câble 3e vers l'enveloppe
de transport 2 grâce aux zones de contact entre l'enveloppe
de transport et chaque câble. Ce drainage évite l'apparition
des zones chargées sur la surface extérieure du câble.
Chaque couche dopée est par exemple réalisée en matériau
électriquement isolant dopé par des particules de matériau
conducteur à base de carbone. La couche dopée comprend par
exemple une matrice électriquement isolante en
fluoroéthylène, en polyéthylène, en tétra-fluoroéthylène ou
en silicone. Cette matrice électriquement isolante est par
exemple dopée par des grains ou des paillettes en graphite ou
en noir de carbone.
Pour chaque couche dopée, également désignée par couche
semi-conductrice, le dopage est réalisé à un niveau dépassant
la concentration de percolation pour permettre ainsi aux
particules de dopage conductrices de réaliser une liaison
électrique continue à travers la matrice contenant ces
particules.
La couche extérieure 102 de chaque câble peut également
être réalisée en matériau électriquement conducteur. Ce
matériau électriquement conducteur est par exemple une
peinture conductrice ou un revêtement électriquement
conducteur appliqué sous vide. L'épaisseur de cette couche en
matériau conducteur est par exemple comprise entre 1 pm et
2000 pm.
Le revêtement conducteur formant la couche 102 comprend
par exemple du cuivre, de l'acier, du fer, de l'aluminium ou
un alliage de ces métaux.
La peinture conductrice formant la couche 102 comprend
par exemple un liant incluant du cuivre, de l'acier, du fer,
CA 02911198 2015-11-04
14
de l'aluminium ou un mélange de ces éléments, dont la
concentration dans le liant permet une conduction continue.
La figure 7 représente une vue en coupe transversale d'un
câble de chauffage équipé de moyens de réduction des
décharges électriques partielles se présentant sous la forme
d'une couche 102 extérieure et d'une couche 103 intérieure
dopée.
La couche 103 intérieure dopée présente une épaisseur
comprise entre 20 pm et 2000 pin. Cette couche 103 intérieure
/0 dopée est disposée entre l'âme 100 en matériau électriquement
conducteur et la gaine 101 en matériau électriquement isolant
de chaque câble 3d. Avantageusement, cette couche 103
intérieure dopée réalise un drainage et évite l'apparition de
zones intérieures chargées, notamment sur la surface interne
de la gaine 101 en matériau électriquement isolant, notamment
dans les portions où la couche 103 appliquée contre l'âme 100
est décollée de cette dernière.
Des troisièmes moyens de réduction des décharges
électriques partielles consistent à appliquer un enduit
d'isolation 30 sur l'enveloppe de transport 2.
La figure 8 représente un détail de l'aménagement d'un
câble de chauffage 3 par rapport à des moyens de réduction
des décharges électriques comprenant l'enduit d'isolation 30
appliqué sur le conduit de transport 2.
L'enduit d'isolation 30 d'épaisseur comprise entre 100 pin
et 1000 pin est appliqué sur l'enveloppe de transport 2 pour
limiter les échanges de particules chargées entre l'enveloppe
de transport 2 et les câbles de chauffage 3. Un tel enduit 30
se présente par exemple sous la forme d'une peinture
spécifique dont le coefficient d'émission d'électrons est
inférieur à celui de l'acier. L'enduit comprend par exemple
des polymères tels que les polymères époxyde. Le nombre
d'électrons disponibles sur l'enveloppe de transport est
ainsi réduit, c'est-à-dire que le coefficient d'émission
d'électrons secondaires est réduit.
La figure 9 représente une vue en coupe longitudinale
d'un conduit chauffé la de transport de fluide comprenant des
tronçons 12a, 12b et 12e dont l'espace annulaire 8a, 8b ou 8c
CA 02911198 2015-11-04
est conditionné en usine avant de monter les tronçons bout à
bout par exemple sur site. Chaque tronçon comprend des moyens
de réduction des décharges électriques partielles selon
l'invention.
5 Dans chaque tronçon des câbles électriques de chauffage
3a, 3b ou 3c sont électriquement reliés de façon étanche via
un connecteur de raccordement 11a, llb ou 11c à une ligne
d'alimentation 10 disposée dans le milieu environnant à
proximité du conduit.
10 Le conduit chauffé la s'étend entre une tête de puits 15
et une plateforme d'exploitation 16. Bien-entendu le nombre
de tronçons joints bout à bout est déterminé en fonction des
besoins. La plateforme d'exploitation 16 comprend notamment
un générateur électrique 17 relié à la ligne d'alimentation
/5 10.
De la résine 19 est disposée autour de chaque jonction
entre deux tronçons, cette résine étant recouverte par un
manchon 18. Le branchement des connecteurs électriques 11a,
llb et 11c est réalisé au fur-et-à-mesure du montage du
conduit.
Dans le cas d'un annulaire segmenté tout le long du
conduit, le chauffage est par exemple réalisé par 3 à 6
câbles électriques dans chaque segment d'une longueur de 12 à
200 m chacun. Les âmes électriquement conductrices des câbles
présentent par exemple une section de 0,1 mm2 à 1 mm2 et les
câbles présentent par exemple un diamètre inférieur à 4 mm.
La figure 10 représente une vue en coupe longitudinale
d'un conduit chauffé lb de transport de fluide dont l'espace
annulaire s'étend tout le long du conduit. Ce conduit
comprend avantageusement des moyens de réduction des
décharges électriques partielles selon l'invention. Le
conduit est monté à partir de tronçon joint bout à bout dont
les espaces annulaires communiquent entre eux. Des couronnes
de renfort 20, également désignées en anglais par
bulkhead , peuvent être intercalées selon les besoins de
la construction.
Les couronnes de renfort 20 comprennent une bague
intérieure de solidarisation avec l'enveloppe de transport 2
CA 02911198 2015-11-04
16
et une bague extérieure de solidarisation avec l'enveloppe
extérieure 7. Les bagues d'une couronne sont solidaires l'une
de l'autre mais des passages 21 sont aménagés pour le passage
des câbles électriques et des passages 22 peuvent également
être aménagés pour faire communiquer entre elles deux
portions de l'espace annulaire 8.
Sur la figure 10, on a représenté à titre d'exemple des
moyens de conditionnement d'un conduit lors de la
finalisation de son installation. Une extrémité du conduit lb
est reliée à une tête de puits 15. Dans l'exemple présenté,
l'autre extrémité du conduit lb est reliée à la plateforme
d'exploitation 16 qui comprend un système de mise en pression
et d'injection de gaz relié de façon étanche à l'annulaire 8.
Le système de mise en pression comprend un capteur 23 de
/5 pression relié à une vanne 24. La pression mesurée est
représentative de la pression dans l'espace annulaire. La
vanne peut être commandée fermée ou mettre en communication
l'annulaire 8 avec une pompe à vide 25 ou avec un réservoir
26 de gaz tel qu'un gaz d'isolation électronégatif. L'espace
annulaire peut ainsi être mis à pression réduite. Après la
mise à pression réduite, la pompe à vide et le réservoir
peuvent alors être démontés et l'annulaire scellé.
Une mise à pression réduite peut également être réalisée
préalablement à la phase d'installation.
Par ailleurs, les câbles électriques de chauffage 3 sont
reliés à une alimentation électrique 17 via un connecteur
électrique 27 étanche.
Les câbles s'étendent chacun sur toute la longueur de
l'annulaire peuvent présenter chacun une longueur de lkm à
100km. Entre 6 et 72 câbles de chauffage sont par exemple
disposés autour de l'enveloppe de transport 2, les âmes
électriquement conductrices des câbles présentant par exemple
une section comprise entre 3 mm2 et 15 mm2 et les câbles
présentant par exemple un diamètre inférieur à 15 mm.
De préférence, la longueur de chaque câble est comprise
entre 3 et 30 km, le nombre de câbles disposés autour de
l'enveloppe de transport est compris entre 12 et 36 et la
section de l'âme de chaque câble est comprise entre 3 mm2 et
CA 02911198 2015-11-04
17
8 mm2.
Les différents moyens de réduction des décharges
électriques partielles peuvent bien-entendu être combinés
pour optimiser les possibilités d'utilisation pour un conduit
comprenant un espace annulaire segmenté ou pour un conduit
comprenant un espace annulaire continu.
Il doit être évident pour l'homme du métier que la
présente invention permet d'autres variantes de réalisation.
Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent
/0 être considérés comme illustrant l'invention.
