FR3125320A1 - Tuyau résistant au feu protégé par un substratcéramique YSZ - Google Patents

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Preetinder Singh Virdi
Paresh Dnyaneshwar Dalvi
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Eaton Intelligent Power Ltd
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Abstract

L’invention concerne un tuyau pouvant satisfaire aux exigences de résistance au feu selon la norme AS1055 dans des conditions de débit nul. Le tuyau a de multiples couches incluant une couche de substrat céramique flexible de zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ) disposée entre des première et deuxième couches de caoutchouc de silicone. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Tuyau résistant au feu protégé par un substrat céramique YSZ
RÉFÉRENCE CROISÉE AUX DEMANDES ASSOCIÉES
La présente demande revendique le bénéfice de la priorité à la demande provisoire de n° de série IN 202111031822, déposée le 15 juillet 2021, et à la demande provisoire de n° de série IN 202111032960, déposée le 22 juillet 2021.
ARRIÈRE-PLAN DE L’INVENTION
Des produits de transport aérospatial (tuyaux, tubes, etc.) peuvent être utilisés pour transporter du carburant, de l’huile ou du fluide hydraulique sous pression dans des emplacements qui peuvent être exposés à un incendie. Dans de telles applications, un mécanisme de protection contre l’incendie peut être utilisé pour garantir que le produit ne connaît pas de défaillance (par exemple une fuite) pendant une durée spécifiée (par exemple, 5 à 15 minutes) dans des conditions spécifiées, dont des conditions d’écoulement spécifiées.
Certains tuyaux d’aéronef peuvent être certifiés pour une utilisation dans des zones de risque d’incendie telles que définies par la FAA (Federal Aviation Administration, Agence fédérale de l’aéronautique) ou par les autorités de certification applicables. Par exemple, les tuyaux d’aéronef peuvent être configurés pour résister à une flamme directe pendant un certain temps, par exemple cinq minutes ou quinze minutes, pour être certifiés comme étant résistants au feu ou ignifuges, respectivement. Les tuyaux d’aéronef existants appropriés pour une utilisation dans des zones de risque d’incendie peuvent être sujets à une dégradation lors d’une exposition au feu, ce qui peut affecter la capacité du produit à répondre aux besoins de la lutte contre l’incendie.
Dans des applications aérospatiales, à mesure que les systèmes d’aéronef ont évolué, les exigences d’essais de résistance au feu sont devenues plus sévères, posant des défis pour démontrer une conformité avec des technologies d’ignifugation existantes. Par exemple, certaines couvertures résistantes au feu actuelles peuvent ne pas répondre de façon constante aux exigences de performance au feu AS1055 et TSO qui permettent un débit de fluide léger ou nul à travers le produit de transport de fluide pendant l’essai, et encore moins aux exigences de débit nul de la norme AS1055 des produits de transport de fluide de nouvelle génération.
Le brevet U.S. n° 8 409 682 divulgue un tuyau d’air résistant à la chaleur pour moteurs diesel ayant une couche externe contenant un caoutchouc acrylique d’éthylène réticulable sans peroxyde tel qu’un copolymère éthylène-méthacrylate et un agent ignifuge sans halogène tel que l’hydroxyde d’aluminium.
Le brevet U.S. n° 10 190 706 divulgue un ensemble tuyau résistant au feu ayant une couche résistante au feu externe comprenant un matériau polymère et du graphite expansible.
La demande publiée US 2019/0154174 décrit un tuyau de zone de risque d’incendie comportant un manchon de protection thermique et une armature externe tressée en acier inoxydable.
La demande publiée US 2019/0247685 décrit une couverture résistante au feu pour produits de transport de fluide comprenant des couches intermédiaires alternées de bande de basalte et de fibre de verre.
Pour respecter les exigences de débit nul AS1055 et TSO, de nombreux tuyaux existants doivent être recouverts d’un manchon coupe-feu conçu selon la norme AS1072. Les manchons coupe-feu augmentent le diamètre externe (OD) du tuyau, ajoutent du poids, et peuvent avoir des surfaces plissées, ce qui provoque une difficulté lors de la fixation de ces tuyaux dans des aéronefs.
Certaines technologies existantes de protection contre l’incendie incluent des couvertures intégralement en silicone ou des manchons en fibre de verre revêtus de silicone. Lorsque la silicone est exposée au feu, elle peut former un résidu charbonneux non uniforme, et peut avoir tendance à tomber de la surface. Cela peut exposer une couche interne de PTFE au feu, ce qui peut entraîner une fuite dans le tuyau due à la fusion de la couche de PTFE.
Il existe un besoin de solutions/options qui réduisent au minimum ou éliminent un ou plusieurs défis ou points faibles des produits de transport de fluide, de façon à répondre à des exigences de performance de débit nul plus rigoureuses conformes à AS1055 et TSO.
L’invention concerne un tuyau résistant au feu adapté à une utilisation dans des aéronefs pour satisfaire aux exigences AS1055 et TSO pendant 15 minutes dans des conditions de débit nul.
Un tuyau résistant au feu ayant une couche de substrat céramique flexible en tant que couche résistant aux chocs de l’incendie est proposé. Par exemple, le tuyau résistant au feu peut inclure une ou plusieurs, ou deux ou plusieurs, couches de substrat céramique de zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ). La ou les couches de substrat céramique YSZ peuvent être des couches intermédiaires. Par exemple, une couche de substrat céramique YSZ peut être intercalée entre deux couches de silicone. Le tuyau résistant au feu peut comprendre en outre une couche de renforcement métallique. Le tuyau résistant au feu peut comprendre une couche de tube la plus interne comprenant un PTFE. Le tuyau résistant au feu peut comprendre une couche de renforcement métallique sur une couche de tube la plus interne comprenant un PTFE. Dans des modes de réalisation, le tuyau résistant au feu peut inclure de l’extérieur vers l’intérieur : une couche de caoutchouc de silicone externe ; une couche de substrat céramique YSZ ; une couche de caoutchouc de silicone interne ; une couche de renforcement métallique ; et une couche de tube PTFE la plus interne.
Le tuyau résistant au feu peut inclure de l’intérieur vers l’extérieur un tube interne préparé à partir d’une composition comprenant du PTFE, une couche de renforcement métallique et une couche d’isolation thermique externe. La couche d’isolation thermique peut comprendre une première couche de caoutchouc de silicone interne, une couche de substrat céramique YSZ intermédiaire et une deuxième couche de caoutchouc de silicone externe.
Les première et deuxième couches de silicone peuvent être préparées à partir d’une composition comprenant un caoutchouc à base de silicone.
Une composition de caoutchouc de silicone de couche d’isolation thermique est proposée qui, lorsqu’elle est durcie, réussit le test de résistance à la flamme selon la norme MSHA ASTP5007. La couche d’isolation thermique comprenant une couche de substrat céramique YSZ entre deux couches de composition de caoutchouc de silicone, lorsquʼelle est durcie, peut réussir à un test de résistance à la flamme selon la norme MSHA ASTP5007 après 5 minutes et/ou après 15 minutes.
Un tuyau résistant au feu est proposé, comprenant une couche d’isolation thermique comprenant une couche de substrat céramique flexible à base de zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ) disposée entre une première couche de caoutchouc de silicone et une deuxième couche de caoutchouc de silicone. Le tuyau résistant au feu peut comprendre en outre une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un polytétrafluoroéthylène (PTFE). Le tuyau résistant au feu peut comprendre en outre une ou plusieurs couches de renforcement. La couche de renforcement peut être disposée entre la couche de tube interne et la couche d’isolation thermique.
Dans certains modes de réalisation, la couche de substrat céramique YSZ comprend de la zircone (ZrO2) et d’environ 3 % molaires à environ 8 % molaires d’oxyde d’yttrium (Y2O3). La couche de substrat céramique YSZ peut présenter une épaisseur dans une plage d’environ 20 micromètres à environ 100 micromètres ; d’environ 20 micromètres à environ 50 micromètres ; ou d’environ 40 micromètres.
Le tuyau résistant au feu peut inclure une première couche de caoutchouc de silicone et une deuxième couche de caoutchouc de silicone préparées à partir d’une composition de caoutchouc de silicone comprenant d’environ 40 à 80 % en poids, ou d’environ 50 à 70 % en poids d’un caoutchouc à base de silicone. La composition de caoutchouc de silicone peut comprendre un ou plusieurs, deux ou plusieurs, ou trois additifs ou plus choisis dans le groupe constitué par des agents de durcissement, des auxiliaires de procédé, des agents ignifuges, des promoteurs d’adhérence, des antioxydants, des stabilisants à la lumière ultraviolette, des charges, des agents thixotropes, des silicones supplémentaires, des teintures et des colorants.
La composition de caoutchouc de silicone peut comprendre une charge de silice broyée en une quantité comprise entre environ 0 et 30 % en poids, 1 et 20 % en poids, 5 et 15 % en poids, ou environ 10 et 12 % en poids. La composition de caoutchouc de silicone peut comprendre un agent ignifuge au borate de zinc. La couche de renforcement peut comprendre une tresse métallique. La couche de renforcement peut comprendre une tresse métallique en acier inoxydable.
Un tuyau résistant au feu est proposé comprenant une multiplicité de couches, incluant d’une direction interne à une direction radiale externe comprenant : i) une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un PTFE ; ii) une première couche de renforcement comprenant une tresse métallique ; iii) une première couche de caoutchouc de silicone ; iv) une couche de substrat céramique YSZ ; et v) une deuxième couche de caoutchouc de silicone. Les première et deuxième couches de caoutchouc de silicone peuvent présenter : i) une dureté de 65 à 75 Shore A selon la norme ASTM 2240 ; ii) une résistance à la traction d’au moins 750 psi selon la norme ASTM D412 ; iii) un pourcentage d’allongement d’au moins 150 % selon la norme ASTM D412 ; iv) une résistance à la déchirure d’au moins 50 Die C selon la norme ASTM D624 ; v) un module de 50 % de 250 à 350 psi selon la norme ASTM D412 ; et vi) un module de 100 % de 300 à 450 psi selon la norme ASTM D412.
Le tuyau résistant au feu peut inclure une couche d’isolation thermique comprenant une couche de composition de caoutchouc de silicone durcie et une couche de substrat céramique YSZ qui réussit à un test de résistance à la flamme selon MSHA ASTP5007 ; et présente une formation de résidu charbonneux visible externe importante lorsqu’il est testé selon MSHA ASTP5007. Le tuyau résistant au feu satisfait ou dépasse de préférence les exigences de performance AS1055 et TSO à 15 minutes dans des conditions de débit nul.
Un tuyau résistant au feu est proposé, dans lequel le tuyau satisfait ou dépasse les exigences de performance AS1055 et TSO à 5 minutes et/ou 15 minutes dans des conditions de débit nul.
Un tuyau résistant au feu est proposé, dans lequel le tuyau est qualifié pour une plage de températures de fonctionnement continue de -65 °F à 450 °F (-54 °C à 232 °C).
Un tuyau résistant au feu est proposé, dans lequel le tuyau est qualifié pour une pression de fonctionnement comprise entre environ 1 000 et environ 1 500 psig.
Un procédé de fabrication d’un tuyau résistant au feu est proposé, comprenant la formation d’une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un PTFE ; le tressage d’une première couche de renforcement comprenant une tresse métallique par-dessus la couche de tube interne ; l’extrusion d’une première composition de caoutchouc de silicone par-dessus la couche de renforcement pour former une première couche de silicone, l’enveloppement ou le laminage d’un matériau de substrat céramique YSZ par-dessus la première couche de silicone pour former une couche de substrat céramique YSZ ; l’extrusion ou le moulage par injection d’une deuxième couche de silicone par-dessus la couche de substrat céramique YSZ pour former une deuxième couche de silicone et former un tuyau vert ; et le durcissement du tuyau vert pour former le tuyau résistant au feu. Facultativement, tout adhésif approprié peut être employé, par exemple, entre une couche de caoutchouc de silicone et une couche de substrat céramique YSZ.
La montre un exemple de construction de tuyau résistant au feu comprenant 5 couches.
La montre un exemple de construction de tuyau résistant au feu comprenant 3 couches
La montre un exemple de construction de tuyau résistant au feu comprenant 7 couches.
La montre un exemple de procédé pour une construction de tuyau comprenant 5 couches.
La montre une illustration du test de rayon de courbure minimal.

Claims (11)

  1. Tuyau résistant au feu comprenant
    une couche d’isolation thermique comprenant une couche de substrat céramique de zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ) disposée entre une première couche de caoutchouc de silicone et une deuxième couche de caoutchouc de silicone.
  2. Tuyau résistant au feu selon la revendication 1, comprenant en outre
    une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un polytétrafluoroéthylène (PTFE).
  3. Tuyau résistant au feu selon la revendication 2, comprenant en outre une couche de renforcement, facultativement dans lequel la couche de renforcement est disposée entre la couche de tube interne et la couche d’isolation thermique, facultativement dans lequel la couche de renforcement comprend une tresse métallique, facultativement une tresse métallique en acier inoxydable.
  4. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de substrat céramique YSZ comprend de la zircone (ZrO2) et d’environ 3 % molaires à environ 8 % molaires d’oxyde d’yttrium (Y2O3), facultativement dans lequel la couche de substrat céramique YSZ a une épaisseur allant d’environ 20 micromètres à environ 100 micromètres.
  5. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les première et deuxième couches de caoutchouc de silicone sont préparées à partir d’une composition de caoutchouc de silicone comprenant d’environ 40 à 80 % en poids, ou d’environ 50 à 70 % en poids d’un caoutchouc à base de silicone, facultativement dans lequel la composition de caoutchouc de silicone comprend un additif choisi dans le groupe constitué par des agents de durcissement, des auxiliaires de processus, des agents ignifuges, des promoteurs d’adhérence, des antioxydants, des stabilisants à la lumière ultraviolette, des charges, des agents thixotropes, des silicones supplémentaires, des teintures et un colorant, en outre facultativement dans lequel la composition de caoutchouc de silicone comprend une charge de silice broyée en une quantité comprise entre environ 0 et 30 % en poids, 1 et 20 % en poids, 5 et 15 % en poids, ou environ 10 et 12 % en poids.
  6. Tuyau résistant au feu selon la revendication 5, dans lequel la composition de caoutchouc de silicone comprend un agent ignifuge comprenant un borate de zinc.
  7. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une multiplicité de couches d’une direction radiale interne à une direction radiale externe comprenant :
    i) une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un PTFE ;
    ii) une première couche de renforcement comprenant une tresse métallique ;
    iii) une première couche de caoutchouc de silicone ;
    iv) une couche de substrat céramique YSZ ; et
    v) une deuxième couche de caoutchouc de silicone.
  8. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les première et deuxième couches de caoutchouc de silicone présentent
    i) une dureté de 65 à 75 Shore A selon la norme ASTM 2240 ;
    ii) une résistance à la traction d’au moins 750 psi selon la norme ASTM D412 ;
    iii) un pourcentage d’allongement d’au moins 150 % selon la norme ASTM D412 ;
    iv) une résistance à la déchirure d’au moins 50 Die C selon la norme ASTM D624 ;
    v) un module de 50 % de 250 à 350 psi selon la norme ASTM D412 ; et
    vi) un module de 100 % de 300 à 450 psi selon la norme ASTM D412.
  9. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la composition de caoutchouc de silicone durcie à couche d’isolation thermique réussit à un essai à la flamme lorsqu’il est testé selon MSHA ASTP5007 ; et présente une formation de résidu charbonneux visible externe importante lorsqu’il est testé selon MSHA ASTP5007.
  10. Tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel
    i) le tuyau satisfait ou dépasse les exigences de performance AS1055 et TSO de 15 minutes dans des conditions de débit nul ; et
    ii) le tuyau est dimensionné pour une plage de températures de fonctionnement continue de -65 °F à +450 °F (-54 °C à +232 °C).
  11. Procédé de fabrication du tuyau résistant au feu selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant :
    la formation d’une couche de tube interne préparée à partir d’une composition comprenant un PTFE ;
    le tressage d’une première couche de renforcement comprenant une tresse métallique par-dessus la couche de tube interne ;
    l’extrusion d’une première composition de caoutchouc de silicone par-dessus la couche de renforcement ;
    le laminage dʼune couche de substrat céramique YSZ par-dessus la première couche de caoutchouc de silicone ;
    l’extrusion d’une deuxième composition de caoutchouc de silicone par-dessus la couche céramique YSZ pour former un tuyau vert ; et
    le durcissement du tuyau vert pour former le tuyau résistant au feu.
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