EP1943449A1 - Utilisation du polyamide 11 pour le revetement interne d'une conduite de gaz en vue d'une reduction de pertes de charge - Google Patents
Utilisation du polyamide 11 pour le revetement interne d'une conduite de gaz en vue d'une reduction de pertes de chargeInfo
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Definitions
- the present invention relates to the field of internal coatings of gas pipes.
- the object of the present invention is to allow a reduction in pressure losses in the transport of gas by pipe, in particular to limit the compression infrastructure, or to reduce the internal diameter of the pipes.
- the present invention proposes the use of polyamide 11 as internal coating of a gas transport pipe, to reduce the pressure losses.
- the polyamide can be deposited in powder in the pipe before being heated.
- the thickness of the coating may be between 20 and 400 microns.
- FIG. 2 gives the friction parameter as a function of the Reynolds number for five different coatings
- FIG. 3b gives the deviation of the friction factor as a function of Reynolds number with respect to a smooth steel pipe of 1 meter and for coatings of type 1 to 5.
- Figure 4 gives erosion results in mass loss (pm) as a function of eroding mass (ME) for five different coatings.
- Test apparatus The test apparatus is subsequently referred to as the "rotating device".
- US-6260413 incorporated herein by reference, discloses a test apparatus similar to that used hereinafter.
- a cylinder (the rotor) mounted in a housing is mechanically rotated by an electric motor.
- the rotation of the rotor causes in its movement a gas present in. the casing, outside this cylinder.
- the gas is braked in its displacement by an external fixed cylinder (the shirt).
- the braking of the gas and therefore of the rotor depends on the roughness of the walls of the two cylinders (fixed and rotor), the speed of rotation of the rotor and the characteristics of the gas.
- the system was designed to measure the aerodynamic characteristic of the inner wall of an interchangeable liner, the rotor being unchanged during the various shirt tests.
- the aerodynamic characteristic of a liner is measured from either a torque meter mounted on the rotor shaft, between the rotor and the electric motor, or from a pitot tube mounted equidistantly between the outer rotor wall and the inner wall of the liner, the pitot tube being oriented in the opposite direction to the movement of the rotor.
- FIG. 1 illustrates: from left to right, - an overview of the rotating device, - an internal view of the device showing the rotor, the jacket, and a Pitot tube, lid), - and a view from above. pitot tube.
- the gases used are nitrogen or argon.
- the gas pressure varies during the test between 10 and 100 bar and the rotational speed of the rotor varies between 1500 and 3000 rev / min for argon.
- the peripheral speed U of the rotor is calculated from the speed of rotation of the rotor and its diameter.
- the performance of a test jacket is established relative to reference shirts which are stainless steel shirts and whose inner part has been sandblasted.
- the roughness range extends from 0.3 to 7 microns Ra (4 to 55 microns Ry5) for all shirts.
- Ra and Ry5 are roughness measurements defined by the ISO 4287 standard: Ra represents the arithmetic mean and Ry5 the average over 5 intervals of the difference between the points of strongest and weakest amplitude.
- the performance of the reference and test liners is determined by the analysis of the parameter U1 / U2 as a function of the Reynolds number (Re) of the channel separating the inner and outer cylinders.
- the aerodynamic performance of a liner is defined by its hydraulic roughness. Unlike physical roughness, the hydraulic roughness is dependent on the Reynolds number. Types of internal coatings tested and main results obtained:
- the tested coatings include:
- the physical roughness is obtained after filtering the waves of a wavelength greater than that corresponding to the roughness (RC low pass filter with filtering threshold or "Cut Off” of 0.8 mm)
- the equivalent physical roughness is obtained after filtering the waves of a wavelength greater than that of the corrugations ("Cut Off 1 of 2.5 or 8 mm according to the wavelength of the undulations to be analyzed); • is lower for an epoxy resin, or for polyamide 11, than that of steel for equivalent physical roughness.
- the equivalent hydraulic roughness of a coating decreases when the thickness of the coating increases to a value of the order of 150 to 200 micrometers, which typically makes it possible to smooth the effects of roughness of the metal substrate, previously prepared by blasting according to the conventions of the trade.
- this parameter intervenes only to the extent that an increase in thickness contributes to reducing the physical roughness as well as the rate of corrugations.
- the hydraulic roughness tends to increase with thickness, especially for solvent-based resins, given an increase in the rate of corrugations resulting from dripping, or drying process.
- the equivalent hydraulic roughness of a coating is mainly a function of the physical roughness, the corrugation rate, and the nature of the material or components constituting this material.
- Figure 2 shows the friction parameter U1 / U2 (ordinate) versus the Reynolds number (Ee) (abscissa) for five different coatings: Revet_l to Revet_5.
- the gas used is argon.
- Polyamide 11 (Revet_5) was tested by comparison with particularly optimized epoxy coatings (Revet-1 to 4) (coating thickness 150 to 200 microns). The results obtained are based on the average measurement on a sampling of three coatings (Revet_l, 2 and 5), four coatings (Revet_3) and two coatings (Revet_4). Coatings 1 to 3 are solvent-based, while coating 4 is solvent-free. It has been observed that the parameter of friction U1 / U2 (or hydraulic roughness) of the. polyamide 11 is lower than that of all the coatings tested to date as indicated in FIG. 2. The good performance of the polyamide 11 can, in particular, result from the very low value of the physical roughness (Table 1 below - "Cut Off 'of 0.8 mm) and by the very low rate of ripples ("Cut Off 1 of 2.5 mm)
- the friction factor is defined according to the pressure drop in the pipe by:
- the friction factor is calculated from the equation of
- Rh the absolute hydraulic roughness
- the friction factor of the polyamide 11 has been extrapolated under extrapolation conditions that are particularly difficult given its particularly negative hydraulic roughness. However, the friction factor of polyamide 11 is significantly lower than that of coatings 1 and 2 as shown in FIG.
- the polyamide 11 has a friction factor 5 to 10% lower than the best epoxy coating tested and 15 to 20% lower than the average of the epoxy coatings tested. The difference between the friction factors tends to increase as the Reynolds number increases.
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Abstract
La présente invention concerne l'utilisation du polyamide 11 comme revêtement interne d'une conduite de transport de gaz, pour réduire les pertes de charge.
Description
UTILISATION DU POLYAMIDE H POUR LE REVETEMENT INTERNE D'UNE CONDUITE DE GAZ EN VUE D'UNE RÉDUCTION DE PERTES DE CHARGE
La présente invention concerne le domaine des revêtements internes des conduites de gaz. L'objet de la présente invention est de permettre une réduction de pertes de charge dans le transport du gaz par conduite, notamment afin de limiter les infrastructures de compression, ou de permettre de réduire le diamètre interne des conduites.
Ainsi, la présente invention propose l'utilisation du polyamide 11 comme revêtement interne d'une conduite de transport de gaz, pour réduire les pertes de charge.
Selon l'invention, le polyamide peut être déposé en poudre dans la conduite avant d'être chauffé.
Dans une variante selon l'invention, l'épaisseur du revêtement peut être compris entre 20 et 400 μm.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des essais suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées parmi lesquelles: la figure 1 montre schématiquement le dispositif d'essai,
- la figure 2 donne le paramètre de frottement en fonction du nombre de Reynolds pour cinq revêtements différents,
- la figure 3 a donne facteur de friction en fonction du nombre de Reynolds pour un tube de 1 mètre et pour les revêtements de type 1 à 5. Les petits et les grands symboles correspondent, respectivement, à l'acier et aux revêtements,
- la figure 3b donne l'écart du facteur de friction en fonction du nombre de Reynolds par rapport à une conduite en acier lisse de 1 mètre et pour les revêtements de type 1 à 5. On utilise les mêmes symboles que pour la figure 3a, la figure 4 donne les résultats d'érosion en perte de masse (pm) en fonction de la masse d'érodent (ME) pour cinq revêtements différents.
L'appareil d'essai: L'appareil d'essai est appelé par la suite le « dispositif tournant ». Le document US-6260413, cité ici en référence, décrit un appareil d'essai similaire à celui utilisé ci-après.
Son principe de fonctionnement est le suivant : un cylindre (le rotor) monté dans un carter est entraîné mécaniquement en rotation par un moteur électrique. La rotation du rotor entraîne dans son mouvement un gaz présent dans . le carter, à l'extérieur à ce cylindre. Le gaz est freiné dans son
déplacement par un cylindre fixe extérieur (la chemise). Le freinage du gaz et, par conséquent, du rotor dépend de la rugosité des parois des deux cylindres (fixe et rotor), de la vitesse de rotation du rotor et des caractéristiques du gaz. Le système a été conçu pour mesurer la caractéristique aérodynamique de la paroi interne d'une chemise interchangeable, le rotor étant inchangé au cours des différents essais de chemises.
La caractéristique aérodynamique d'une chemise est mesurée à partir, soit d'un couplemètre monté sur l'arbre du rotor, entre le rotor et le moteur électrique, soit d'un tube de Pitot monté à égale distance entre la paroi externe du rotor et la paroi interne de la chemise, le tube de Pitot étant orienté dans la direction opposée au déplacement du rotor.
On illustre par la figure 1: de gauche à droite, - une vue d'ensemble du dispositif tournant, - une vue interne du dispositif montrant le rotor, la chemise, et un tube de Pitot, couvercle), - et vue de dessus du tube de Pitot. Les gaz utilisés sont de l'azote ou de l'argon. La pression du gaz varie au cours de l'essai entre 10 et 100 bar et la vitesse de rotation du rotor varie entre 1500 et 3000 tour/min pour l'argon. Ces conditions d'essai permettent d'obtenir des épaisseurs de couche visqueuse de l'ordre de quelques dixièmes à quelques microns et, par conséquent, de mesurer des rugosités hydrauliques du même ordre de grandeur.
Traitement des mesures en provenance du tube de Pitot:
La vitesse périphérique U du rotor est calculée à partir de la vitesse de rotation du rotor et de son diamètre. Le tube de Pitot fournit la pression dynamique au point de mesure. La connaissance de la densité donne la vitesse du gaz relativement à la paroi fixe,
U2. Par conséquent, la vitesse du gaz relativement à la paroi mobile est U1=U-U2.
La performance d'une chemise d'essai est établie par rapport à des chemises de référence qui sont des chemises en acier inoxydable et dont la partie interne a été sablée. La gamme de rugosité s'étend de 0,3 à 7 microns de Ra (4 à 55 microns de Ry5) pour l'ensemble des chemises. Ra et Ry5 sont des mesures de rugosité définies par la norme ISO 4287 : Ra représente la moyenne arithmétique et Ry5 la moyenne sur 5 intervalles de l'écart entre les points de plus forte et de plus faible amplitude. La performance des chemises de référence comme des chemises d'essai est établie par l'analyse du paramètre U1/U2 en fonction du nombre de Reynolds (Re) du canal séparant les cylindres interne et externe. Il a été observé, que pour toutes les chemises testées, la courbe représentant U1/U2 en fonction de Re est unique quelles que soient les conditions de température, pression, qualité du gaz et vitesse de rotation du rotor. La variation de U1/U2 en fonction de Re est donc propre à chacune des natures de chemise.
La connaissance des courbes U1/U2 des chemises de référence permet de déterminer la performance aérodynamique d'une chemise d'essai soit :
• par interpolation, lorsque la rugosité hydraulique équivalente se situe au dessus de celle de la chemise de plus petite rugosité (0,3 micromètre de Ra).
• par extrapolation, lorsque la rugosité hydraulique équivalente se situe au dessus de cette dernière valeur.
La performance aérodynamique d'une chemise est définie par sa rugosité hydraulique. Contrairement à la rugosité physique, la rugosité hydraulique est dépendante du nombre de Reynolds.
Types de revêtements internes testés et principaux résultats obtenus:
L'application d'un revêtement interne dans une conduite de gaz vise à réduire significativement les pertes de charge en réduisant le facteur de friction à la paroi par rapport à une conduite non revêtue. L'effet de réduction de pertes de charge est calculé comme décrit dans le paragraphe précédent.
Les revêtements testés comprennent :
• des revêtements à base de solvant — résine époxydique avec solvant organique;
• des revêtements sans solvant — résine époxydique liquide;
• un revêtement en poudre du type polyamide 11 - poudre portée à la fusion après dépôt sur le substrat suivant les procédés connus de l'homme du métier; II a été observé au cours des essais que la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement :
• augmente lorsque sa rugosité physique augmente. La rugosité physique est obtenue après filtration des ondes d'une longueur d'onde supérieure à celle correspondant à la rugosité (Filtre passe bas RC avec seuil de filtration ou "Cut Off' de 0,8 mm). Le filtre passe bas RC et le "Cut
Off' sont connus de l'homme du métier;
• augmente lorsque le taux d'ondulation augmente (effet de peau d'orange). La rugosité physique équivalente est obtenue après filtration des ondes d'une longueur d'onde supérieure à celle des ondulations ("Cut Off1 de 2,5 ou 8 mm selon la longueur d'onde des ondulations à analyser);
• est plus faible pour une résine époxydique, ou pour le polyamide 11, que celle de l'acier pour des rugosités physiques équivalentes.
Il a également été observé que la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement diminue lorsque l'épaisseur du revêtement augmente jusqu'à une valeur de l'ordre de 150 à 200 micromètres qui permet typiquement de lisser les effets de rugosité du substrat métallique, préalablement préparé par grenaillage suivant les conventions du métier. Toutefois, ce paramètre n'intervient que dans la mesure où une augmentation d'épaisseur contribue à faire diminuer la rugosité physique ainsi que le taux d'ondulations. Dans le cas des résines époxydiques, au delà de 200 à 300 microns d'épaisseur la rugosité hydraulique tend à augmenter avec l'épaisseur, surtout pour les résines à base de solvant, compte tenu d'une augmentation du taux d'ondulations résultant de coulures, ou du procédé de séchage.
En résumé, la rugosité hydraulique équivalente d'un revêtement est principalement fonction de la rugosité physique, du taux d'ondulation, et de la nature du matériau ou des composants constituant ce matériau.
La figure 2 donne le paramètre de frottement U1/U2 (en ordonnées) en fonction du nombre de Reynolds (Ee) (en abscisse) pour cinq revêtements différents: Revet_l à Revet_5. Le gaz utilisé est de l'argon.
Le polyamide 11 (Revet_5) a été testé par comparaison avec des revêtements époxydiques (Revet_l à 4) particulièrement optimisés (épaisseur des revêtements de 150 à 200 micromètre). Les résultats obtenus résultent de la mesure moyenne sur un échantillonnage de trois revêtements (Revet_l, 2 et 5), de quatre revêtements (Revet_3) et de deux revêtements (Revet_4). Les revêtements 1 à 3 sont à base de solvant, tandis que le revêtement 4 est sans solvant.
II a été observé que le paramètre de frottement U1/U2 (ou rugosité hydraulique) du. polyamide 11 est inférieur à celui de tous les revêtements testés à ce jour comme indiqué sur la figure 2. Les bonnes performances du Polyamide 11 peuvent, notamment, résulter par la très faible valeur de la rugosité physique (Tableau 1 ci-dessous — "Cut Off ' de 0,8 mm) et par le très faible taux d'ondulations ("Cut Off1 de 2,5 mm)
Tableau 1
Sur la base des rugosités hydrauliques interpolées et extrapolées, le facteur de friction est calculé pour un tube de 1 mètre, pour des nombres de Reynolds supérieurs à 2.107 (figure 3a).
Le facteur de friction est défini en fonction de la perte de charge dans la conduite par :
L V2 DP = fp , où /, p, L, D, V sont respectivement, le facteur de
D 2g friction, la densité du fluide, la longueur et le diamètre de la conduite et la vitesse du fluide.
Le facteur de friction est calculé à partir de l'équation de
Colebrook & White , où le nombre de
Reynolds est défini par Re = — — , μ étant la viscosité absolue du fluide et μ
Rh, la rugosité hydraulique absolue.
Le facteur de friction du polyamide 11 a été extrapolé dans des conditions d'extrapolation particulièrement difficiles compte tenu de sa rugosité hydraulique particulièrement négative. Toutefois, le facteur de friction du polyamide 11 est significativement inférieur à celui des revêtements 1 et 2 comme indiqué sur la figure 2.
A un nombre de Reynolds de l'ordre de 2.107, le polyamide 11 présente un facteur de friction 5 à 10% plus faible que le meilleur revêtement époxydique testé et de 15 à 20% plus faible que la moyenne des revêtements époxydiques testés. La différence entre les facteurs de friction tend à s'accroître lorsque le nombre de Reynolds augmente.
Erosion
Des essais d'érosion ont été réalisés sur les revêtements de type 1 à 5. La figure 4 donne les résultats de perte de masse (pm en gramme en ordonnées) obtenus par érosion au corindon (masse en gramme ME en érodent en abscisse) de granulométrie d'environ 450 μm, projeté à une vitesse de 20 m/s, sous un angle de 30°. Ces essais permettent de classer la sensibilité des revêtements à l'érosion suivant leur nature. Le Polyamide 11 a montré une résistance à l'érosion très supérieure aux autres revêtements testés.
Cette performance des films à base de poudre polyamide 11 est à
rapprocher de leur caractère thermoplastique semi cristallin qui confère aux revêtements de polyamide en général une résistance mécanique accrue grâce à l'aptitude à la déformation plastique, par opposition aux revêtements à base époxydiques dérivés de polymères thermodurcissables réputés pour leur caractère fragile.
Claims
REVENDICATIONS
1) Utilisation du polyamide 11 comme revêtement interne d'une conduite de transport de gaz, pour réduire les pertes de charge.
2) Utilisation selon la revendication 1 dans laquelle le polyamide est déposée en poudre dans la conduite avant d'être chauffé.
3) Utilisation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur du revêtement est compris entre 20 et
400 μm.
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