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Transfert de chaleur à basse température

Article de référence | Réf : BE9813 v1

Lignes de transfert cryogénique - Lignes isolées sous vide

Auteur(s) : Jean-Luc FOURNEL

Date de publication : 10 oct. 2017

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Sécurité en cryogénie

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NOTE DE L'ÉDITEUR

La norme NF EN 13480-3 V1 de décembre 2017 citée dans cet article a été complétée par un nouvel amendement NF EN 13480-3V1/A3 (E86-700-3/A3) : Tuyauteries industrielles métalliques - Partie 3 : conception et calcul - Amendement 3 (Révision octobre 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2009 (Novembre 2020).

05/01/2021

La norme NF EN 13480-3 V1 de décembre 2017 citée dans cet article a été modifée par la norme NF EN 13480–3/A2 (E86-700-3/A2) : Tuyauteries industrielles métalliques - Partie 3 : Conception et calcul - Amendement 2 (Révision 2020)
Les normes NF EN 13480-1 V1 , -2 V1, -5 V1, -6 V1 et -8 V1 de décembre 2017 ont été modifiées par NF EN 13480-1 V1/AC1, -2 V1/AC1, -5 V1/AC1, -6 V1/AC1 et -8 V1/AC1 (E86-700-1/AC1, -2/AC1, -5/AC1, -6/AC1 et -8/AC1) : Tuyauteries industrielles métalliques
Partie 1 : généralités - Corrigendum 1 à la norme NF EN 13480-1 V1 de décembre 2017
Partie 2 : matériaux - Corrigendum 1 à la norme NF EN 13480-2 V1 de décembre 2017
Partie 5 : inspection et contrôle - Corrigendum 1 à la norme NF EN 13480-5 V1 de décembre 2017
Partie 6 : Exigences complémentaires relatives aux tuyauteries enterrées - Corrigendum 1 à la norme NF EN 13480-6 V1 de décembre 2017
Partie 8 : exigences complémentaires relatives aux tuyauteries en aluminium et alliages d'aluminium - Corrigendum 1 à la norme NF EN 13480-8 V1 de décembre 2017 (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2007 (Septembre 2020).

19/06/2020

RÉSUMÉ

Différents types de lignes de transfert isolées sous vide de fluides cryogéniques sous forme gazeuse ou liquide sont utilisés dans les installations industrielles ou les applications scientifiques. Pour chaque type de ligne, la conception de ces lignes de transfert, les exigences sur le choix des matériaux en fonction du fluide, les exigences de fabrication et d’installation et les recommandations de maintenance sont décrits en détails. Le descriptif couvre les mono-lignes, les multilignes et enfin les lignes complexes multilignes écrantées.

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ABSTRACT

Cryogenic transfer lines Under vacuum lines

This article presents and describes the different types of vacuum-insulated transfer lines for cryogenic fluids used in industrial plants or scientific applications. For each type of line, it describes in detail its design, the requirements in the choice of materials according to the fluid, the manufacturing and installation requirements, and maintenance recommendations. The description of the different transfer lines covers single and multiple process lines, and complex multi-lines with thermal shields.

Auteur(s)

Jean-Luc FOURNEL : Sénior expert en mécanique et cryogénie - Air Liquide Advanced Technologies Sassenage France

INTRODUCTION

Les lignes de transfert cryogéniques appelées communément lignes sous vide sont destinées à transférer un fluide cryogénique de la source de production ou de stockage aux points d’utilisation. Les sources de production sont les liquéfacteurs pour le gaz liquéfié ou les réfrigérateurs pour le gaz froid. Les stockages sont des réservoirs sous pression de liquide cryogénique.

Le fluide cryogénique peut être sous forme gazeuse typiquement à une température inférieure à – 80 °C ou liquéfiée. Les fluides cryogéniques ont de très nombreuses applications :

le transport et le stockage de gaz liquéfié pour exploiter la densité du liquide ;
le refroidissement d’équipements comme par exemple des aimants supraconducteurs ;
la congélation rapide.

Un gaz sous forme liquide peut être stocké ou transporté en grosse quantité et sous basse pression inférieure à 15 bar. Le rapport de volume entre le liquide et le gaz est d’environ 700.

Les fluides cryogéniques les plus couramment rencontrés sont l’azote, l’oxygène, l’argon, l’hydrogène, le gaz naturel liquéfié et l’hélium.

Ces dernières années, la taille des installations cryogéniques industrielles ou scientifiques a fortement augmenté. Cette augmentation de puissance implique la construction des lignes de transferts des fluides cryogéniques plus longues, plus complexes dans leur cheminement et de diamètre de tuyauterie plus important. Cette évolution conduit à une complexité de la maîtrise de la conception et de leur fiabilité. La maîtrise des règles de conception de ces lignes devient un élément essentiel de la sûreté de fonctionnement de ces installations.

La première problématique des lignes sous vide est de compenser la contraction de ou des tuyauteries internes lors de la mise en froid. La contraction thermique des aciers austénitiques est de 3 mm par mètre depuis la température ambiante de 20 °C jusqu’à la température de l’azote liquide – 196 °C.

La deuxième problématique des lignes sous vide est la recherche du meilleur compromis entre la résistance mécanique aux différentes charges et la limitation des pertes thermiques. Ce compromis s’obtient par une étude détaillée de la flexibilité de la ligne pour compenser la contraction thermique et par l’optimisation des supports internes de la ligne. En plus de l’optimisation des supports, les lignes de transfert sont isolées sous vide.

Enfin, le maintien du vide d’isolation pendant toute la période d’utilisation est obtenu par quelques règles simples de conception et surtout par la très bonne qualité des assemblages soudés pour garantir l’étanchéité.

Certaines lignes de transfert sans exigence de performance thermique ou de faible longueur sont isolées par un isolant comme du polyuréthane ou foamglass directement apposé sur la tuyauterie de transfert. Ces lignes de conception simple ne sont pas décrites dans cet article.

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MOTS-CLÉS

isolation thermique | Vide | Multilinges

KEYWORDS

thermal insulation | vacuum | mutllines

PERMALIEN

https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/froid-cryogenie-applications-industrielles-et-peripheriques-42596210/lignes-de-transfert-cryogenique-be9813/

RÉFÉRENCE BIBLIOGRAPHIQUE

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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Outils logiciels

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2 Normes et standards

EIGA 13/12 - Tuyauteries en oxygène et systèmes de tuyauterie

EIGA 33/06 - Nettoyage des équipements pour le service d’oxygène

NF EN 12300 - 1999 - Récipients cryogéniques – Propreté

NF EN 12213 - 1999 - Récipients cryogéniques – Méthodes d’évaluation de la performance de l’isolation thermique

NF EN 1626 - 2008 - Récipients cryogéniques – Robinets pour usage cryogénique

NF EN 13480 - 2012 - Tuyauteries industrielles métalliques

ASME B31.3 - 2016 - Process piping

NF EN 10216-5 - 2014 - Tubes sans soudure pour service sous pression. Conditions techniques de livraison. Partie 5 : Tubes en acier inoxydable

ASME B36.19 - 2004 - Stainless Steel Pipe

NF EN 10028 - 2009 - Produits plats en aciers pour appareil à presion

NF EN 10088 - Tôles métalliques pour construction générale

NF EN 1797 - 2001 - Récipients cryogéniques – Compatibilité entre gaz et matériaux...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - DESCRIPTION GÉNÉRALE D’UNE LIGNE SOUS VIDE CRYOGÉNIQUE

1.1 - Ligne sous vide monotube interne
1.2 - Ligne sous vide multitube

2 - CODES DE CONSTRUCTION, NORMES ET RÉGLEMENTATION

2.1 - Réglementation et normes en Europe
2.2 - Réglementation et normes aux États-Unis et au Canada

3 - CHOIX DES MATÉRIAUX

3.1 - Spécificité pour une utilisation en oxygène
3.2 - Spécificité pour une utilisation en hydrogène

4 - PRÉSENTATION DÉTAILLÉE DE LA CONCEPTION D’UNE LIGNE SOUS VIDE

4.1 - Tuyauteries internes
4.2 - Supports internes

5 - COMPENSATION THERMIQUE

5.1 - Enveloppe externe
5.2 - Isolation
5.3 - Vide d’isolation
5.4 - Écrantage des tuyauteries internes pour des hautes performances thermiques
5.5 - Segmentation des lignes de transferts
5.6 - Différents types d’interconnexion des tronçons
5.7 - Supports extérieurs de la ligne
5.8 - Organes de sécurité