FR2835584A1 - Corps creux de revolution en matiere thermoplastique et procede de realisation d'un tel corps - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un corps creux (12) de révolution ouvert à ses deux extrémités axiales, tel qu'un tube ou une virole, constitué par au moins une bande (16) d'une première matière thermoplastique qui définie la face intérieure de la paroi (17) du corps (12), qui est enroulée en spirale par rapport à un axe longitudinal et dont chaque spire de l'enroulement (18a) est intimement liée à la spire (18b) précédemment enroulée, caractérisé en ce que la paroi (17) du corps (12) comporte au moins un ruban de renfort (34) qui comporte des moyens de renfort (32), tels que des fibres de verre ou de carbone, qui sont isolés de l'intérieur du corps par la première matière thermoplastique d'une partie de la bande (16). Le corps creux pouvant notamment constituer la virole d'une cuve de stockage.L'invention propose une aussi un procédé de fabrication d'un tel corps creux.
Description
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L'invention propose un corps creux de révolution ouvert à ses deux extrémités axiales, tel qu'un tube ou une virole ainsi que son procédé de fabrication.
De tels corps creux peuvent être utilisés pour la réalisation des cuves de stockage ou de tuyaux de transport de liquides, tels que de l'eau ou des produits chimiques.
Dans le cas d'une cuve de stockage verticale le corps creux, appelé virole, forme la paroi verticale, son extrémité axiale inférieure est obturée de façon étanche par une paroi de fond.
Plusieurs types de viroles sont connus
L'un d'entre eux consiste en une virole constituée par l'enroulement d'une bande de matière thermoplastique extrudée.
L'un d'entre eux consiste en une virole constituée par l'enroulement d'une bande de matière thermoplastique extrudée.
L'enroulement est réalisé en spirale sur la surface externe d'un mandrin rétractable pour que chaque spire de l'enroulement soit jointe à la spire précédemment enroulée de façon que la zone de jonction soit étanche entre l'intérieur et l'extérieur de la virole. La jonction est obtenue par fusion des spires dans la zone correspondante.
La matière thermoplastique présente l'avantage d'être chimiquement neutre vis-à-vis de produits avec lesquels elle peut être en contact, permettant ainsi le contact avec les produits alimentaires, notamment l'eau potable.
De plus, la pollution due à la fabrication et au recyclage d'une virole de ce type est très limitée.
Lorsqu'une cuve est remplie de liquide, la virole doit résister à la pression hydrostatique du liquide qu'elle contient
La pression hydrostatique provoque notamment des efforts d'orientation radiale par rapport à l'axe de révolution vertical de la cuve
La pression hydrostatique provoque notamment des efforts d'orientation radiale par rapport à l'axe de révolution vertical de la cuve
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Les efforts étant plus élevés dans la partie basse de la cuve, il est connu de faire varier l'épaisseur de la paroi le long de sa hauteur pour éviter son fluage.
Pour ce faire, il est connu d'augmenter l'épaisseur de la bande extrudée. Il est aussi connu d'enrouler successivement plusieurs bandes l'une sur l'autre. Dans ces deux hypothèses, la quantité de matière utilisée est augmentée.
Pour les cuves de grande capacité (plusieurs dizaines de mètres cubes) les pressions hydrostatiques notamment en bas de la virole nécessitent une épaisseur de paroi importante.
Ainsi il faut enrouler successivement plusieurs bandes de forte épaisseur, ce qui entraîne un surcoût important en matière et en temps de cycle.
Lorsque le corps creux est un tuyau de transport de fluide, des problèmes similaires apparaissent notamment lorsqu'ils présentent un diamètre important ou lorsque la pression du fluide est élevée.
Ainsi pour des raisons de coûts et de poids, les cuves de grandes capacités ne peuvent pas être réalisées en matière thermoplastique. Elles sont principalement réalisées en polyester thermodurcissable.
Ce matériau présente des caractéristiques mécaniques plus élevées que celles des matières thermoplastiques.
Or, ce type de matériau présente plusieurs inconvénients.
Au cours du temps, les agents de couplage libres des fibres de polyester migrent à la surface interne de la cuve. Ils sont alors susceptibles de se mélanger avec la substance stockée provoquant la pollution de cette substance Par exemple, s'il s'agit d'eau potable, la pollution peut la souiller. Il est probable qu'à l'avenir l'utilisation de tels matériaux pour la réalisation de cuves destinées à recevoir des produits alimentaires soit interdite.
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Pour éviter cet inconvénient il faut recouvrir la face interne de la cuve d'une chemise en matière chimiquement neutre, ce qui augmente le coût de fabrication.
La fabrication de produits en polyester thermodurcissable est polluante. En effet, l'un de ses principaux composants est le monomère styrène qui est très volatile, très toxique et qui s'évapore dans la nature malgré toutes les protections mises en oeuvre lors de leur utilisation.
De plus le recyclage du polyester thermodurcissable est difficile et polluant.
Bien qu'une telle solution soit satisfaisante du point de vue de la résistance mécanique des produits réalisés, elle est inacceptable en ce qui concerne les risques de pollution de la nature et des substances avec lesquelles la cuve est en contact.
De façon à résoudre ces problèmes l'invention propose un corps creux de révolution ouvert à ses deux extrémités axiales, tel qu'un tube ou une virole, constitué par au moins une bande d'une première matière thermoplastique qui définie la face intérieure de la paroi du corps, qui est enroulée en spirale par rapport à un axe longitudinal et dont chaque spire de l'enroulement est intimement liée à la spire précédemment enroulée, caractérisé en ce que la paroi du corps comporte au moins un ruban de renfort qui comporte des moyens de renfort, tels que des fibres de verre ou de carbone, qui sont isolés de l'intérieur du corps par la première matière thermoplastique d'une partie de la bande.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le ruban de renfort est constitué de fibres de renfort, maintenues entre elles par une deuxième matière thermoplastique ; - les fibres sont continues et elles s'étendent globalement selon la direction longitudinale du ruban ; - les fibres constituent un réseau tel qu'un tissu ;
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-les fibres sont réparties de façon aléatoire dans la deuxième matière thermoplastique ; - le ruban de renfort est intégré dans la bande de première matière thermoplastique de façon à former une bande composite ; - le ruban de renfort est lié mécaniquement et/ou chimiquement à la face externe de la bande de première matière thermoplastique ; - une bande comporte un additif, tel qu'un agent antialgue, un pigment, un agent antistatique.
L'invention propose aussi une cuve de stockage de fluide qui comporte une virole du type décrit précédement qui est caractérisée en ce qu'au moins l'une des extrémités axiales de la virole est obturée de façon étanche par une paroi de fond.
L'invention propose encore un procédé de fabrication d'un corps creux caractérisé en ce qu'on introduit concomitamment le ruban et la première matière thermoplastique fondue dans une filière de façon à réaliser une bande composite, puis en ce qu'on enroule la bande composite sur un mandrin.
Selon une autre caractéristique le procédé comporte une étape d'enroulement d'une bande de première matière thermoplastique sur un mandrin, suivie d'une étape d'enroulement du ruban de renfort sur la face externe de la bande, et en ce que, lors de l'étape d'enroulement du ruban, la face externe de la bande et/ou le ruban sont chauffés à une température permettant leur liaison mécanique et/ou chimique intime lors de leur refroidissement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels
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- la figure 1 représente schématiquement une cuve de stockage constituée d'une virole réalisée par extrusion puis enroulement d'une bande de matière thermoplastique ; - la figure 2 représente une vue en coupe partielle verticale, à grande échelle, selon la ligne 2-2 représentée à la figure 1, du haut de la paroi d'une virole réalisée selon l'état de la technique ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale, à grande échelle, et en perspective d'un ruban de renfort de la paroi de la virole réalisée selon l'invention ; - les figures 4 et 5 sont des vues en coupe similaires à celle représentée à la figure précédente, le ruban étant réalisé selon des variantes de réalisation ; - les figures 6 et 7 sont des vues en coupe similaires à celle représentée à la figure 2 la virole étant réalisée selon un premier et un second mode de réalisation de l'invention respectivement.
A titre d'exemple non limitatif, la suite de la description porte sur une virole de cuve de stockage verticale.
Le corps creux peut aussi être un tuyau ou le corps d'une cuve de stockage horizontale.
La figure 1 représente une cuve de stockage 10 de liquide constituée d'une virole 12.
La virole 12 est de forme tubulaire et s'étend, verticalement selon un axe longitudinal A, depuis le sol 14 sur lequel la cuve de stockage 10 est posée.
La virole 12 consiste en une bande 16 de matière thermoplastique extrudée qui est enroulée en spirale, sur un mandrin cylindrique entraîné en rotation. La bande 16 enroulée définit la paroi 17 de la virole 12. Conformément à la figure 2, la paroi 17 peut être constituée de l'enroulement successif de plusieurs bandes 16, ici au nombre de deux
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A titre d'exemple la matière thermoplastique peut être du polyéthylène, du polypropylène ou de la matière thermoplastique recyclée.
On a représenté en traits interrompus les contours des spires de la bande 16
De façon à permettre l'enroulement en spirale, l'extrudeuse et le mandrin ont, en plus du mouvement de rotation, un mouvement de translation relatif l'un par rapport à l'autre selon une direction parallèle à l'axe longitudinal A. La vitesse de translation est déterminée pour qu'une zone de chaque spire 18a, 18b, 18c... de l'enroulement soit en contact avec une zone en vis-à-vis de la spire 18b, 18c... précédemment enroulée.
De façon à permettre l'enroulement en spirale, l'extrudeuse et le mandrin ont, en plus du mouvement de rotation, un mouvement de translation relatif l'un par rapport à l'autre selon une direction parallèle à l'axe longitudinal A. La vitesse de translation est déterminée pour qu'une zone de chaque spire 18a, 18b, 18c... de l'enroulement soit en contact avec une zone en vis-à-vis de la spire 18b, 18c... précédemment enroulée.
De plus, la température des spires dans les zones de contact ou de jonction 19 est supérieure à la température de fusion qui est de l'ordre de 135 C pour le polyéthylène.
Ainsi il se produit une fusion dans la zone de jonction ce qui permet de réaliser une liaison intime des spires.
De façon similaire, lorsque plusieurs bandes sont enroulées l'une sur l'autre, il est avantageux qu'elles soient intimement liées entre elles, de façon que la paroi soit monobloc.
L'extrémité longitudinale inférieure 20 de la virole 12 est obturée par une paroi de fond 22.
La paroi de fond 22 peut être soudée avec la virole 12 lorsque les matières les constituant sont compatibles chimiquement.
Lorsque la cuve 10 est remplie par un fluide, la pression hydrostatique provoque des contraintes qui tendent à faire fluer la paroi 17 de la virole 12 radialement vers l'extérieur, notamment dans sa partie inférieure.
Il est connu de renforcer la paroi 17 de la virole 12 en augmentant l'épaisseur de la bande 16 et/ou en enroulant successivement plusieurs bandes l'une sur l'autre.
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A titre d'exemple, une virole 12 réalisée selon l'invention peut avoir un diamètre de 2,9 mètres et une hauteur de 7,6 mètres pour un volume de stockage de 50000 litres, l'épaisseur de sa paroi dans sa partie basse est alors de l'ordre de 50 mm.
Telle que décrite précédemment, cette solution n'est pas optimale et notamment ne permet pas de réaliser de cuves de grandes capacités.
Selon l'invention la paroi 17 du corps creux 12 comporte au moins un ruban de renfort 34 constitué par des moyens de renfort 32, tels que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres végétales ou des fibres métalliques, qui sont isolés de l'intérieur du corps par au moins une partie de la bande 16.
Le ruban 34 permet de diminuer l'épaisseur de la paroi 17 à résistance au fluage égale.
Le ruban de renfort 34, représenté aux figures 3 à 5, est constitué de fibres de renfort 36, maintenues entre elles par une deuxième matière thermoplastique 38.
Les figures permettent de faciliter la compréhension.
Les rapports entre les dimensions ne sont pas représentatifs de la réalité. Par exemple, le diamètre des fibres de renfort est de 18, 5 um, ta largeur et l'épaisseur du ruban sont de 200 mm et 3 mm respectivement. Ainsi la section transversale d'un ruban peut comporter plusieurs centaines de fibres de renfort sensiblement parallèles. A titre indicatif, la largeur et l'épaisseur de la bande 16 peuvent être de 200 mm et 20 mm respectivement.
Le ruban 34 peut être réalisé par un procédé décrit en détail dans le document FR-A-2.784. 931 qui consiste principalement à chauffer une nappe de fils à base de la deuxième matière thermoplastique 38 et des fibres de renfort 36 à une température supérieure à la température de fusion de la deuxième matière thermoplastique 38, puis à introduire la nappe dans un dispositif de conformation permettant de
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répartir de façon homogène la deuxième matière thermoplastique 38 et garantir la totale imprégnation des fibres de renfort 36.
Les fibres de renfort 36 sont avantageusement des filaments continus, c'est-à-dire qu'elles mesurent plusieurs dizaines de centimètres.
Ainsi, conformément à la figure 3, les fibres de renfort 36 peuvent s'étendre globalement selon la direction longitudinale du ruban 34.
Selon une variante représentée à la figure 4 les fibres 36 constituent un réseau tel qu'un tissu.
Par exemple les fibres 36 se croisent selon deux directions sensiblement orthogonales, l'une étant globalement parallèle à la direction longitudinale du ruban 34. Les fibres transversales permettent d'homogénéiser la structure de renfort améliorant les caractéristiques mécaniques du ruban 34.
Selon une autre variante, représentée à la figure 5, les fibres 36 sont réparties de façon aléatoire dans la deuxième matière thermoplastique 38, les fibres sont enchevêtrées entre elles.
Dans ce cas les fibres peuvent être coupées, c'est-àdire qu'elles mesurent entre quelques millimètres et quelques centimètres de long
Un tel type de ruban 34 peut être obtenu par un procédé qui comporte une étape de mélange des fibres de renfort 36 avec la deuxième matière thermoplastique 38, sous forme de granulés ou de poudre, puis une étape de chauffage du mélange obtenu, à une température supérieure à la température de fusion de la deuxième matière thermoplastique. Le mélange fondu est ensuite extrudé dans une filière de façon à former le ruban 34.
Un tel type de ruban 34 peut être obtenu par un procédé qui comporte une étape de mélange des fibres de renfort 36 avec la deuxième matière thermoplastique 38, sous forme de granulés ou de poudre, puis une étape de chauffage du mélange obtenu, à une température supérieure à la température de fusion de la deuxième matière thermoplastique. Le mélange fondu est ensuite extrudé dans une filière de façon à former le ruban 34.
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Les caractéristiques du ruban 34 sont nettement supérieures à celles d'une bande de matière thermoplastique de mêmes dimensions.
Selon un premier mode de réalisation de la virole 12, le ruban 34 est intégré dans la bande 16 de la première matière thermoplastique de façon à former une bande composite 40 représentée à la figure 6. La première et la seconde matière plastique se lient intimement de façon que la bande composite 40 soit monobloc.
Selon un second mode de réalisation, le ruban de renfort 34 est lié mécaniquement et/ou chimiquement à la face externe 42 de la bande intérieure de première matière thermoplastique. La paroi 17 est composite.
Ainsi le ruban 34 est totalement isolé de la face interne 44 de la paroi 17 par la première matière thermoplastique. Il n'y a aucun risque de contamination, par les fibres de renfort 38, du produit stocké en contact avec la face interne 44.
Selon le second mode de réalisation, il est possible de lier une autre bande de matière thermoplastique sur la face externe 46 du ruban de renfort 34 de façon qu'il soit totalement intégré dans la paroi 17 de la virole 12, tel que représenté à la figure 7.
Ainsi la paroi 17 de la virole 12 réalisée selon l'invention est stratifiée, elle comporte au moins une couche de première matière thermoplastique qui définit l'intérieur de la cuve 10 et une couche de renfort constituée par la deuxième matière 38 et les fibres de renfort 36.
Les procédés de fabrication de viroles décrits en détail dans la suite de la description permettent une bonne cohésion entre la première et la deuxième matières thermoplastiques de façon que la bande 16 et le ruban 34 soient solidaires l'un de l'autre et que la paroi 17 soit monobloc.
La première et la deuxième matières thermoplastiques présentent des coefficients de dilatation similaires de façon
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que lorsque la virole 12 est soumise à des variations de température, la dilatation de la première et de la deuxième matières ne provoquent pas la séparation de la bande 16 et du ruban 34 par cisaillement à leur interface.
Avantageusement la première et la deuxième matières thermoplastiques sont identiques.
Ainsi, une virole selon l'invention présente des caractéristiques mécaniques améliorées qui permettent de réaliser des économies de matières et de temps de cycle lors de leur fabrication. En effet, le bas de la paroi de la virole 12 d'une cuve qui comporte un ruban de renfort 34 a une épaisseur réduite par rapport à une virole réalisée selon l'état de la technique.
Cette épaisseur peut encore être réduite en augmentant la résistance mécanique du ruban et/ou le nombre de ruban dans la paroi de la virole 12.
L'amélioration des caractéristiques mécaniques permet aussi d'augmenter le volume de stockage sans risque de fluage de la paroi.
De plus, l'isolation du ruban de renfort 34 par la première matière thermoplastique supprime tous risques de contact des moyens de renfort 32 avec le contenu de la cuve 10. Ce qui permet l'utilisation des cuves réalisées selon l'invention avec de nombreux produits sans risque de contamination ou de pollution.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la première matière thermoplastique comporte un additif qui peut être un agent anti-algue, un agent antibactérien, un agent antistatique, un pigment...
Certains d'entre eux sont utiles uniquement dans des zones particulières, par exemple l'agent anti-algue et l'agent antibactérien ne sont utiles que sur la face interne 44 de la paroi 17 en contact avec le fluide stocké pour éviter le
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développement des algues et de bactéries dans le fluide respectivement.
Ainsi pour limiter la quantité d'additif, seule la bande définissant la face interne 44 de la paroi 17 comporte l'additif.
Avantageusement l'épaisseur de cette bande est réduite pour minimiser la quantité d'additif utilisée et optimiser le coût de fabrication de la virole.
L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'une virole 12 qui consiste à introduire concomitamment le ruban 34 et la première matière thermoplastique fondue dans une filière de façon à réaliser la bande composite 40. Ensuite la bande composite 40 est enroulée sur le mandrin. Après la solidification de la virole 12, le mandrin est rétracté puis est sorti de la virole.
Le ruban 34 peut être agencé au milieu de la bande composite 40 conformément à la figure 6, ou sur une face de celle-ci conformément à la figure 7
Avantageusement, le ruban 34 est consolidé avant d'être introduit dans la filière. Pour ce faire, il est chauffé à une température supérieure à sa température de transition fusion, puis il est calandré entre deux cylindres pour homogénéiser sa structure et améliorer ses caractéristiques mécaniques.
Avantageusement, le ruban 34 est consolidé avant d'être introduit dans la filière. Pour ce faire, il est chauffé à une température supérieure à sa température de transition fusion, puis il est calandré entre deux cylindres pour homogénéiser sa structure et améliorer ses caractéristiques mécaniques.
L'extrusion et l'enroulement de la bande 40 sont réalisés successivement dans un laps de temps court de façon que la température de la bande composite 16 lui permette d'être suffisamment souple pour être enroulé sur le mandrin.
De plus, il doit y avoir fusion de la première matière thermoplastique dans la zone de jonction 19 de deux spires adjacentes 18a, 18b... Pour ce faire, il est possible de chauffer les zones concernées juste avant que se produise la jonction.
L'invention propose un autre procédé de fabrication de la virole 12, du type de celle représentée à la figure 7, qui comporte une étape d'enroulement d'une bande 16 de
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première matière thermoplastique sur un mandrin, suivie d'une étape d'enroulement du ruban de renfort 34 sur la face externe 42 de la bande 16. Lors de l'étape d'enroulement du ruban 34, la face externe de la bande 16 et/ou le ruban 34 sont chauffés à une température permettant leur liaison mécanique et/ou chimique intime lors de leur refroidissement.
La réalisation d'une cuve de stockage cylindrique telle que précédemment décrite n'est qu'un exemple d'utilisation du corps creux objet de l'invention. En effet, la section selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal A du corps peut consister en toutes formes de révolution notamment un ovale.
Pour cela l'enroulement des bandes est réalisé sur un mandrin de forme complémentaire dont la vitesse de rotation est pilotée de façon à maîtriser l'épaisseur de la paroi du corps.
Pour que l'épaisseur soit constante, il faut que la vitesse linéaire de la zone d'enroulement du mandrin soit constante. Le corps creux peut alors notamment permettre de réaliser la ceinture d'une piscine qui peut ne pas être cylindrique.
Claims (11)
1. Corps creux (12) de révolution ouvert à ses deux extrémités axiales, tel qu'un tube ou une virole, constitué par au moins une bande (16) d'une première matière thermoplastique qui définie la face intérieure de la paroi (17) du corps (12), qui est enroulée en spirale par rapport à un axe longitudinal (A) et dont chaque spire de l'enroulement (18b) est intimement liée à la spire (18a) précédemment enroulée, caractérisé en ce que la paroi (17) du corps (12) comporte au moins un ruban de renfort (34) qui comporte des moyens de renfort (32), tels que des fibres de verre ou de carbone, qui sont isolés de l'intérieur du corps par la première matière thermoplastique d'une partie de la bande (16).
2. Corps creux de révolution selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le ruban de renfort (34) est constitué de fibres de renfort (36), maintenues entre elles par une deuxième matière thermoplastique.
3. Corps creux de révolution selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les fibres (36) sont continues et en ce qu'elles s'étendent globalement selon la direction longitudinale du ruban (34).
4. Corps creux de révolution selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les fibres (36) constituent un réseau tel qu'un tissu.
5. Corps creux de révolution selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres (36) sont réparties de façon aléatoire dans la deuxième matière thermoplastique.
6. Corps creux de révolution selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le ruban de renfort (34) est intégré dans la bande (16) de première matière thermoplastique de façon à former une bande composite.
7. Corps creux de révolution selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le ruban de renfort
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(34) est lié mécaniquement et/ou chimiquement à la face externe (42) de la bande (16) de première matière thermoplastique.
8. Corps creux de révolution selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une bande (16) comporte un additif, tel qu'un agent anti-algue, un pigment, un agent antistatique.
9. Cuve de stockage (10) de fluide qui comporte une virole (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'au moins l'une des extrémités axiales de la virole (12) est obturée de façon étanche par une paroi de fond (22)
10. Procédé de fabrication d'un corps creux (12) selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on introduit concomitamment le ruban (34) et la première matière thermoplastique fondue dans une filière de façon à réaliser une bande composite (40), puis en ce qu'on enroule la bande composite (40) sur un mandrin.
11. Procédé de fabrication d'un corps creux selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'enroulement d'une bande (16) de première matière thermoplastique sur un mandrin, suivie d'une étape d'enroulement du ruban de renfort (34) sur la face externe (42) de la bande (16), et en ce que, lors de l'étape d'enroulement du ruban (34), la face externe (42) de la bande et/ou le ruban (34) sont chauffés à une température permettant leur liaison mécanique et/ou chimique intime lors de leur refroidissement.
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- 2002-02-04 FR FR0201292A patent/FR2835584B1/fr not_active Expired - Fee Related
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