Les Tubes en Polyethylene (1)

7/22/2019 Les Tubes en Polyethylene (1)

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1 - T UBES

La rsistance mcanique d'une conduite peut treconsidre comme tant son aptitude supporterune contrainte dans le matriau, due la pressiondu fluide transport.

Concernant le comportement des matiresthermoplastiques soumises un effort, on constateque leur dformation sous l'action d'une contraintemcanique met en jeu trois proprits :

lasticit instantane comparable l'lasticitdes mtaux : le corps dform reprend sesdimensions primitives ds que la contraintecesse ;

lasticit retarde, ou viscolasticit : ladformation disparat lentement pendant que lecorps revient son tat initial ;

aptitude au fluage : sous l'action d'une contraintede longue dure, mme relativement modre,la dformation peut devenir permanente etirrversible. Cette contrainte prolonge, qui setraduira soit par une diminution de l'paisseur dutube, soit au bout de plusieurs annes parl'apparition et la propagation de fissures, affaiblitpeu peu les caractristiques mcaniques desmatires plastiques, et en particulier celles duPolythylne.

L'importance du facteur temps devient doncprimordiale. En outre, les thermoplastiques tant

sensibles aux variations de temprature, ce facteurdoit galement tre pris en considration.Ainsi, le comportement d'un tube en Polythylneest fonction de la dure pendant laquelle il estsoumis une certaine contrainte. D'o cette notiontrs importante de longvit, c'est dire decomportement dans le temps, notion qui est bienplus importante en fait que de savoir quellepression le tube peut supporter un instant donnou pendant un court laps de temps.

1.1 Rsistance long termePour dterminer la tenue long terme des tubesen PE, il est ralis plusieurs sries dessais depression hydraulique tels que dfinis dans lanorme ISO-9080.Ces essais reproduisent le phnomne de vieillissement acclr, et permettentdestimer la dure de vie du matriau en fonctionde sa rsistance la pression une tempraturedonne.

Des essais grandeur nature raliss sur de trsnombreuses annes ont montr la parfaiteconcordance de cette thorie avec des essaiseffectus en vieillissement acclr.

Les essais se font sur des jeux d'prouvettes (donton a mesur avec prcision le diamtre et l'pais-seur) prleves sur des tubes extruds avec unematire donne dont on cherche dterminer lacontrainte circonfrentielle induite dans la paroid'un tube soumis une pression P.

Cette valeur est communment appele MinimumRequired Strength (MRS) ou contrainte minimalerequise . Elle est exprime en mgapascal (MPa).Les lments de tubes, immergs dans des bainsd'eau maintenus une temprature constante (20,40, 60 et 80C), sont soumis diffrentespressions internes.Pour une temprature donne, on dtermine cinqcontraintes diffrentes appliques chacune cinqprouvettes au moins. Ces contraintes sontchoisies pour donner une dure dessai tage

dans le temps (entre 1 heure et 10 000 heures, soit416 jours).

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STRPE - Syndicat des Tubes et Raccords en PolythylneReproduction interdite


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L'essai consiste relever pour chaque niveau detemprature et de pression interne, la rsistancedes prouvettes, c'est-dire le temps qui s'coule jusqu' leur rupture, et en tirer par uneexploitation statistique des rsultats obtenus, ladure de vie minimale la plus probable de chacundes jeux d'prouvettes pour un coupletemprature / pression.

Un exemple de diagramme, de la dure de vie mi-nimale de ces prouvettes 20, 40C etc, estprsent sur la figure ci-aprs. Il constitue le r-seau des courbes dites courbe de rgression duPolythylne fabriqu partir d'une rsine donne.Chacune des courbes qui le composent caractriseainsi les dures minimales obtenues avant rupturepour des prouvettes sous pression la tempra-ture considre.Le paralllisme des courbes obtenues, constatexprimentalement, permet partir de lois com-plexes (lois dArrhenius), d'obtenir par extrapola-tion des courbes de rgression. Un nombreimportant de mesures permet de valider ces rsul-tats avec une trs grande fiabilit.

Exemple de courbes de rgressions du PE 100(Source Basell)

Courbe de rgressionL'examen de cette courbe permet d'observer qu'50 ans le tuyau concern par cette srie d'essaispeut supporter sans rupture une contrainte circon-frentielle gale 8 MPa (ce qui a conduit classerle matriau sous la dnomination, maintenantnralise, MRS 8 ou encore PE 80 dans lelanguage courant).

En appliquant cette valeur constate de 8 MPa,pour la contrainte circonfrentielle, un coefficientde scurit gal 1,25, on dfinit une contrainte derfrence de la rsine teste, appele aussicontrainte hydrostatique long terme, valant dansle cas prsent 6,3 MPa. Cette valeur est gnrale-ment appele sigma (s). Elle est utilise pourcalculer la gomtrie des tubes qui auront alorsune dure dessai suprieure 50 ans, avec deleau 20C sous une pression gale la PN(exigence minimale prcise par lISO-9080).

Ruptures ductiles et ruptures fragilesOn constate que ce diagramme contrainte-temps,trac en coordonnes logarithmiques, est constitupar des familles de droites parallles. Les rupturessont en gnral de deux types selon le niveau decontraintes exerces :Pour des contraintes (ou des pressions) trs fortesqui sont en dehors du domaine d'utilisationnormale des tubes, les ruptures se produisentaprs une importante dformation ductileprovoquant une hernie sur le tube.Pour des pressions plus faibles, de l'ordre degrandeur de celles auxquelles le tube est soumisen service normal, mais au bout de temps trslongs, la rupture fait suite l'apparition demicrofissures qui se crent sans dformation desprouvettes : on appelle cette rupturefragile .Ce type de rupture peut tre constat sur leterrain aprs seulement quelques annes, sur untube ralis avec des rsines de mauvaise qualitou la suite dune transformation dfectueuse.

Courbe de rgression dun PE 80 unimodal

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Caractristiques des diffrentes rsinesutilisesPour les applications courantes, en France, les po-lythylnes PE 80 et PE 100 sont les plus frquem-ment utiliss.

Dimensionnement des tubesC'est Gabriel LAM, mathmaticien et ingnieurfranais, que l'on doit d'avoir tabli la thoriemathmatique de l'lasticit des corps solides, enprenant en compte les caractristiques de la dfor-mation et des tensions internes.

C'est partir de la formule qui porte son nom, etqui est la formule de base utilise dans le domainede la plasturgie, que sont dtermines lespaisseurs des tubes.Son expression, fonction de la pression P et descaractristiques dimensionnelles d'un tube, est :

avecP = pression l'intrieur du tube, en MPa(1 MPa = 10 bars ).D = diamtre extrieur du tube, en mm.e = paisseur du tube, en mm.

Lorsqu'un tube est soumis une pression interneP, il en rsulte dans sa paroi un systme decontraintes dont la plus importante est lacontrainte circonfrentielle. Dans cette formule, onchoisit pour cette contrainte, parmi les valeurs dutableau prcdent, la rsistance hydrostatique long terme qui intgre dj le coefficient de

scurit de 1,25, ce qui permet ainsi de dterminerl'paisseur de la paroi du tube :

SDR (Standard Dimension Ratio)Pour une matire et une pression donnes, lerapport des dimensions nominales des tubes(diamtre et paisseur) est constant.Cette constante est dsigne sous le sigle SDR quise traduit par Rapport Dimensionnel Standar-dis :

Il a t convenu d'arrondir ses valeurs aux nombressuivants (selon la Srie de Renard) : 33 - 26 - 21 -17 (ou 17,6) - 13,6 - 11 - 9 et 6.

DtimbrageDans les cas o les conditions de fonctionnementprsentent un risque vis vis de la prennit de lacanalisation (tempratures > 20C, nature dufluide, type de pose...), il convient d'appliquer alorsun coefficient de dtimbrage en partant de laformule :

Avec :PMA = pression maximum admissible ne pas

outrepasser dans le rseau considr,f (t) : facteur de dtimbrage impos par la temp-

rature, avec f (t) 1,f (a) : facteur de dtimbrage entran par les condi-

tions internes et environnementales de fonc-tionnement, avec f (a) 1.

Ce qui revient dire que pour une PMA dtermineon dfinira la pression nominale (PN) du tube parlexpression :

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Les valeurs de coefficient de dtimbrage sontdonnes dans le tableau ci-dessous (issu de NFI2201-Partie 2)

Coefficients de Dtimbrage

1.2 - Caractristiques physiques

2.1.3 Ractivit aux agressions chimiques

CorrosionLe PE est inerte chimiquement, pour pratiquementtous les usages, lintrieur de sa plage detempratures dutilisation. Il est imputrescible,il ne rouille pas, ne se pique pas, ne se corrode pas.De ce fait, son paisseur nest modifie par aucunecorrosion chimique ou lectrique (insensibilittotale) provenant du milieu environnant.

PermationLa permation est le passage de petites molcules

de gaz, vapeurs ou liquides travers la structuremolculaire dun matriau.

Elle est influence par de nombreux facteurs,comme la structure du matriau, son interactionavec le permat, son paisseur, la taille de la mo-lcule trangre, la tempratureLe temps de latence (TL), dfini par le temps entrele premier contact de la canalisation avec le conta-minant et la diffusion en rgime stationnaire estdfini par lquation (issue du modle de diffusionde Fick) :

TL = d2/ (6xD)O d est lpaisseur du tube (m)

D est le coefficient de diffusion (m2/jour)TL est le temps de latence (jour)

Ces temps peuvent tre trs longs.

Rsistance aux attaques chimiquesDans le cas o il sagirait de transporter des fluidesavec des concentrations importantes de produitschimique, il convient de se reporter aux tableauxde la norme NF-T 54-070 (Rsistance chimique enannexe) et lISO-TR 10358.Lattention de lutilisateur est attire sur lesrisques de contamination que subira un tube posdans un sol pollu chimiquement ; la prcdentenorme donnera une indication sur la dangerositde certains composants chimiques.

1.4 Avantages des tubes en PE

AbrasionLes tubes Polythylne rsistent trs bien labra-sion. Lorsquon compare les tubes PE aux tuyauxconventionnels utiliss pour des applications iden-tiques, on constate une augmentation considrablede la dure de vie des canalisations vis--vis de cephnomne physique.

Ductilit, flexibilit et fluageLa ductilit inhrente au PE permet aux conduitesdabsorber les impacts, les vibrations et lescontraintes causes par les mouvements de sol.La proprit de flexibilit et laptitude se dfor-mer sans dommage permanent permettent enoutre aux conduites dtre cintres dans le cas detracs difficiles ou de changements de direction.

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Leur aptitude sadapter aux mouvements du solest particulirement intressante dans les zonespotentiellement instables telles que des zonescombles rcemment, audessus de carrires ouencore dans des zones sysmiques.

Le PE est sujet au fluage sous leffet de contraintesdiverses, mais ces contraintes vont se relaxer avecle temps. Cette caractristique ncessite donc deprocder des essais en pression, diffrents deceux traditionnellement utiliss.

Rsistance la fissurationLes nouvelles gnrations de matire PE 80 et 100offrent une trs bonne rsistance la fissurationdes tubes en Polythylne.Plusieurs essais permettent de caractriser cettetenue :

1- Rsistance la propagation lente defissure : essai la viroleCet essai est effectu sur des tubes dont lpais-

seur est infrieure ou gale 5mm. Il consiste soumettre des chantillons pr-entaills et sousdformation constante laction dun milieutensio-actif maintenu une temprature leve.Lvolution de la longueur de la fissure en fonctiondu temps est mesure et ne doit pas dpasser unevitesse prdtermine (infrieure 10mm/jour)

2- Rsistance la propagation lente defissure : essai sur tube entaill (NOTCHTEST)

Cet essai est effectu sur des tubes dont lpais-seur est suprieure 5mm. Il consiste soumettredes chantillons dont quatre entailles externesquidistantes ont t usines dans le sens longitu-dinal un essai de pression hydraulique constante.Les chantillons doivent rsister au minimum 500heures et ce une temprature de 80C.

3 - Rsistance la propagation rapide defissure : ESSAI S4Lessai consiste soumettre un tube dunelongueur spcifie, une temprature dessaidfinie (gnralement 0C) et rempli dun fluide

sous une pression spcifie laction dun choc proximit dune de ses extrmits. On dterminealors la pression critique partir de laquelle lechoc provoque une fissure longitudinale se propa-geant rapidement sur toute la longueur du tube.Cette valeur permet de dterminer la pressioncritique de lessai si celui-ci avait t effetu engrandeur nature.

Rsistance aux coups de blierLa nature de la matire utilise limite les efforts ducoup de blier par un effet damortissement rapideselon la formule dAllievi. La longvit desdiffrents composants du rseau sen trouveamliore.

Dans laquelle : P = variation de la pression (en bar)d = masse volumique du liquide (en kg/dm3)

(1 pour leau)g = acclration de la pesanteur = 9,81m/s2vp = clrit de londe de choc dans la

canalisation (en m/s)(1) v = variation de la vitesse du liquide au moment

du coup de blier (en m/s)(2)

(1) Dans le cas de canalisations en PE, la clritde londe de choc peut se calculer daprs laformule dAllivi :

vp = clrit de londe de choc (en m/s)D = diamtre intrieur de la canalisation(en mtres)e = paisseur de la canalisation (en mtres)K = coefficient variable selon la nature du

matriau de la canalisation, pris gal 16pour les PE

(2) Remarques : en cas de fermeture brutale de lacirculation du fluide, D est gale la vitesse dufluide avant fermeture.

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Autobutage Les canalisations PE permettent de limiter auminimum les points dancrage du rseau. Cettecaractristique, assure par laptitude du matriauPE tre conditionn en grandes longueurs (DN 160) et par les techniques de raccordement parsoudage (bout--bout et lectrosoudage), simplifiela conception du rseau. Lautobutage a des rper-cussions non ngligeables dans la rapiditdexcution du chantier.

1.5 Normalisation, certification et marquede qualit

a) - NormalisationLes proprits exiges pour les canalisations d'eaupotable ncessitent un suivi de qualit chaquetape de la fabrication : production de la matirede base (composition Polythylne), fabrication destubes.

Les exigences sur ces compositions et ces tubes

sont prcises par des normes tablies au sein de commissions de normalisation rassemblant tous les acteurs conomiques concerns (fabricants,utilisateurs, laboratoires, ), et qui dfinissent :- les caractristiques gnrales des produits ;- les spcifications auxquelles ils doivent satisfaire ;- les mthodes d'essais permettant de les valuer.De par leur mode d'laboration, les normes consti-tuent des rfrentiels accepts par tous.

Aujourd'hui, parmi les quelques 150 normesconsacres l'ensemble des matriaux plastiques,normes de produits ou normes d'essais, les plusutilises sont les suivantes : NF EN 1555 : Systme de canalisation plastique

pour la distribution de combustiblesgazeux Polythylne (PE).

NF EN 12201 : Systmes de canalisations enplastique pour lalimentation en eau- Polythylne (PE).

NF EN 13244 : Systmes de canalisationsplastique pour lindustrie et eaunon potable

b) - Certification de produitPlusieurs possibilits de preuves de conformit auxnormes existent :- la dclaration du fabricant qui annonce sous saseule responsabilit qu'un produit est conforme une norme ou un autre document normatifspcifi.- le rapport d'essais qui est un document prsen-tant les rsultats d'essais, l'essai tant l'oprationtechnique qui consiste dterminer une ouplusieurs caractristiques d'un produit suivant unmode opratoire spcifique.- la certification de produit qui est une procdurepar laquelle une tierce partie sur la base decontrles priodiques donne une assurance critequ'un produit est conforme aux exigencesspcifies.

LaMarque NF est une certification de produit. Elleatteste que les caractristiques d'un produit sontconformes des spcifications dfinies dans unrfrentiel donn et sont maintenues conformesdans le temps.

Le rfrentiel est compos :- de normes de produit spcifiant les exigencesauxquelles doivent satisfaire un produit donn ;- de normes d'essais ;- de complments ventuels dfinis dans les rgle-ments particuliers de la Marque.La certification de produit conduit la dlivranced'un certificat, document attestant la conformit duproduit des fins commerciales, un tube dans lecas prsent, et l'apposition du monogramme surcelui-ci :

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c) - Marque de qualit des tubes en Polythylne NF 114 Une norme tant un document de rfrence, unemarque de qualit est donc une procdure par la-quelle on atteste que le produit est conforme lanorme.La marque NF114-tubes en Polythylne pour r-seaux de distribution de gaz combustibles, rseauxde distribution deau potable,irrigation et applica-tions industrielles ou non potable, est dfinie dansson rglement particulier (dont la premire miseen application s'est faite en janvier 1990).

Les tubes en Polythylne ont t classs en 4groupes diffrents en fonction de leur application : Le groupe 1 concerne lapplication gaz combus-

tibles . Le groupe 2 concerne l'application eau pota-

ble . Le groupe 3 concerne lapplication irrigation . Le groupe 4 concerne les applications indus-

trielles et non potable .

Un tube gaz et eau potable , admis laMarque NF, est dfini par : un diamtre extrieur nominal, une paisseur nominale, une composition (c'est--dire une matire); pour

leau potable celle-ci doit tre titulaire dune At-testation de Conformit Sanitaire (ACS) et ne pasaltrer les proprits organoleptiques.

une ligne d'extrusion.

Le rglement particulier de la Marque prcise les

conditions du contrle de la conformit du produit : liste des normes applicables ; exigences que doivent respecter les fabricants

avec en particulier la mise en place de disposi-tions d'assurance-qualit ;

nature et modalits des audits effectus parl'organisme de certification.

La gestion de la Marque est assure parl'organisme certificateur (AFNOR) ou par unorganisme mandat par l'AFNOR (il s'agit du LNE

pour la marque NF 114) qui, pour mener biences missions :

tient compte de l'avis des membres du comitdorientation de la Marque ; fait appel des organismes d'essais et des

auditeurs qualifis ; rend compte un comit (comme toutes les

Marques NF) compos dexperts reprsentatifsde tous les acteurs de la profession.

Dans le cas des tubes en Polythylne, la MarqueNF permet de garantir la conformit de cesproduits aux exigences spcifies dans lesnormes de rfrence et par le Rglement parti-culier.

La certification des tubes est lie : l'obligation d'utiliser des matires elles-mmes

certifies et dont les caractristiques sont vri-fies par le LNE ;

l'obligation, pour les producteurs de matire etles extrudeurs, de mettre en place un systmed'assurance qualit rpondant aux exigences dela norme internationale NF EN ISO 9001 ;

la conformit des produits aux spcifications d-finies par les normes et par le rglement parti-culier de la Marque. la conformit sanitaire (Arrt du Ministre du 29Mai 1997) :

Les matriaux utiliss dans les systmes de pro-duction ou de distribution et qui sont au contact de leau destine la consommation humaine ne doi-vent pas tre susceptibles daltrer la qualit de leau .

Ainsi, tubes et raccords doivent satisfaire des es-

sais normaliss, afin dobtenir une attestation deconformit sanitaire (ACS) dlivre par des labora-toires habilits par la Direction Gnrale de laSant.LACS, dlivre aprs rsultats dessais, estobligatoire depuis avril 2002.

NB : Cette obligation de conformit sanitaire a tintgre dans le Rglement de la Marque NF pourles tubes destins aux rseaux deau potable.

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Chaque tube, fabriqu partir de ces critres, severra accorder le label qui constituera pourl'acheteur et l'utilisateur une preuve de la qualitde produits certifis.Ces tubes, caractriss par des filets de repragede couleur jaune pour le gaz, bleu pour leaupotable, sont marqus comme ci-dessus.

d) - Rglementation : conformit sanitaire descanalisations du groupe eau potable Il convient de distinguer la rglementation lie auxeaux potables et la rglementation lie au contactalimentaire.Un matriau, mme apte au contact alimentaire,nest pas de facto reconnu comme tant apteau transport de leau potable. La rglementationfranaise est parmi les plus svres en Europe ;elle est soucieuse de la protection des consomma-teurs. Malgr les efforts imposs par lharmonisa-tion europenne, il ny a pas encore derglementation commune.

Elle demande ce que les matires premiresservant fabriquer le Polythylne soient enconformit avec des listes positives demolcules autorises et quen outre des essaisrigoureux soient effectus en ce qui concerne :

- les caractristiques organoleptiques,- la migration de produits dans leau selon les pro-

cdures normalises, avec dtection des mol-cules des concentrations extrmement faibles(moins de 1 microgramme par litre aprs des

mises en contact de plusieurs fois 24 heures avecdes eaux tmoins).

La seule prsence de bande bleue ou le marquageCE(1), sur un produit nest pas un gage de confor-mit ! La meilleure faon dtre garanti estdutiliser un produit la Marque NF.

(1) : le marquage CE est une auto-certification quigarantit uniquement le respect des spcificationspropres au fabricant.

1.6 Gamme usuelle de tubes

* : Sries de tubes non enroulables, disponibles unique-ment en longueurs droites.

Conditionnement des tubes en PE : Pour les diamtres 20 75 mm, les tubes sont

gnralement conditionns en couronne. Pour les diamtres allant jusqu DN 160, leconditionnement en touret permet de livrer deslinaires de plusieurs centaines de mtres.

Le conditionnement en longueurs droites est uti-lis pour la plupart des diamtres.

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