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Digeste de la construction au Canada, 1983-05-01
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Tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction. Conseil national de
recherches Canada
CBD-227-F
Tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Publié à l'origine en mai 1983. A. Blaga
Cette publication, la dernière d'une série de trois publications (1, 2), décrit brièvement la nature générale des matériaux thermodurcissables renforcés et décrit en détails deux principaux types de tuyaux de cette catégorie.
À cause de leur coût élevé, les tuyaux à base de plastique thermodurcissable renforcé ne constituent qu'un faible pourcentage de tous les tuyaux de plastique utilisés. Ces tuyaux sont utilisés dans des applications qui exigent une bonne résistance mécanique ou une bonne stabilité à des températures élevées (ou les deux). Les matériaux dont ils sont fabriqués
présentent une plus grande variété de compositions et une plus grande flexibilité de conception que les thermoplastiques. Il est donc important que les concepteurs aient une bonne
connaissance de leur nature.
Composition
Les matériaux à base de plastique thermodurcissable sont toujours utilisés conjointement avec des renforcements et des charges. La résistance mécanique, la résistance à la chaleur et autres propriétés des tuyaux de plastique thermodurcissable requises pour les applications, dépendent du type de résine utilisée comme matrice (phase continue), du type et de la construction du renforcement, de la nature des charges et de la méthode de fabrication.
Les résines polyesters, les résines époxydes et les résines phénoliques sont quelques-unes des résines thermodurcissables les mieux connues, utilisées comme matrices dans les composites renforcés de fibres. Le renforcement peut être organique (par ex. fibre synthétique) ou inorganique (par ex. fibre de verre ou d'amiante). La fibre de verre est toutefois le
renforcement le plus utilisé dans la fabrication des tuyaux de plastique. Le renforcement peut être sous forme de fibres continues non tissées (par ex. les rovings), d'un mat à fibres coupées non tissées, d'un tissu (matériau tissé à partir des torons de fibre de verre) ou de torons coupés. Les deux composés de verre couramment utilisés dans la fabrication de la fibre de verre sont le verre E (électrique - à faible teneur d'alcali, à grande résistance mécanique) et le verre C (chimique - d'une grande résistance à la corrosion). Les deux composés de verre ne sont pas altérés par les solutions salines, les alcalis et la plupart des matériaux organiques, mais le verre C est plus résistant aux acides.
Les tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé peuvent être constitués de 15 à 70 pour cent de fibre de verre, de 0 à 50 pour cent de charge (incluant du sable) et de 30 à 75 pour cent de résine. Ils peuvent aussi contenir de petites quantités d'agents thixotropiques*, de pigments ou de colorants. Ainsi, on peut faire varier les proportions des composants des tuyaux de plastiques thermodurcissable renforcé, de façon à les adapter à un grand nombre de
situations, ce qui en fait un produit d'une grande adaptabilité. Les tuyaux fabriqués à partir de résine thermodurcissable, de renforcement en fibre de verre et de sable ou autres agrégats sont parfois appelés tuyaux de mortier de plastique renforcé (RPMP).
Fabrication
Les méthodes utilisées pour la fabrication des tuyaux et des raccords en plastique
thermodurcissable renforcé comprennent le moulage à la presse, le moulage au contact, le coulage par centrifugation, la pultrusion et le bobinage. Le bobinage est le procédé le plus couramment utilisé, étant donné qu'il en résulte des produits d'une plus grande résistance mécanique que ceux qui sont faits par d'autres méthodes, ainsi qu'une bonne uniformité et une grande densité.
Il existe deux méthodes principales de bobinage. Dans une des méthodes, le bobinage biaxial, les rovings de fibre de verre imprégnés de résine sont disposés expressément dans le sens circonférentiel et dans le sens longitudinal du tuyau, de façon à lui donner la résistance mécanique requise. Dans l'autre méthode, le bobinage hélicoïdal, les rovings continus imprégnés de résine sont enroulés sur un mandrin amovible suivant un angle hélicoïdal bien déterminé dans chaque direction choisie. Le traitement subséquent (réticulation) peut
nécessiter une application de chaleur. La plupart des tuyaux fabriqués par l'une ou l'autre des deux méthodes de bobinage comportent un revêtement intérieur constitué d'une surface lisse, riche en résine renforcée d'un tissu fait de fibre de verre, de polyester thermoplastique ou de fibre acrylique, choisie de façon à fournir un maximum de résistance à l'abrasion et à la corrosion. Le revêtement intérieur de certains tuyaux est conçu pour des applications très spécifiques.
Propriétés et applications
Les tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé sont fabriqués comme produit standard avec une gamme complète de raccords. Ils conviennent particulièrement aux applications telles que la distribution d'eau, les égouts et les canalisations d'évacuation d'eau d'égout dans des conditions de corrosion élevée, comme celles qui résultent des traitements chimiques. Ce type de tuyau trouve son application dans pratiquement toutes les industries importantes pour le transport des centaines de produits chimiques industriels comme l'acide chlorhydrique, l'hydroxyde de sodium, le chlore; le pétrole brut corrosif (en conduites d'écoulement) pour la production du pétrole, sa plus importante application; l'eau salée en conduites d'écoulements, d'inondation, d'injection et d'évacuation; et enfin, le gaz naturel à des pressions allant jusqu'à 8,3 MPa (1200 lb/ po2) et des températures allant jusqu'à 66°C (150°F).
Les tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé les plus couramment utilisés sont à base de résines polyesters ou époxydes et sont décrits plus en détails dans les pages suivantes. Les propriétés typiques, les caractéristiques générales et les applications de ces tuyaux sont représentées dans les tableaux 1 et 2.
Tableau 1. Propriétés typiques des matériaux thermodurcissables de tuyaux fabriqués par bobinage (7,8)*
Propiété** Méthode Gamme ou valeur moyenne Masse volumique, g/cm³ ASTM D 792 1,7 - 2,2
Coefficient de dilation
thermique, 106/°C ASTM D 696
a) direction circonférentielle 9 - 13
b) direction axiale 18 - 32
Conductivité thermique, WC-1
Résistance à la traction (à la limite), kPa (10³ lb/po²)
a) direction circonférentielle ASTM D 2290 165 - 344 (24 - 50) b) direction axiale ASTM D 2105 139 - 690 (20 - 100) Résistance à la compression,
kPa (10³ lb/po²) ASTM D 2586 110 (16)**
Module d'élasticité, MPa (106lb/po²)
a) direction circonférentielle ASTM D 2290 et 26 - 32 (3,8 - 4,6) b) direction axiale ASTM D 2105 6,9 - 19 (1,0 - 2,7) Module de compression,
MPa (106lb/po²) ASTM D 2586
jusqu'à 18 (jusqu'à 2,6)
* Ces chiffres ne servent qu'à donner une indication, étant donné que les tuyaux commerciaux peuvent avoir des propriétés différentes de celles qui sont énumérées dans ce tableau.
** La résine est une résine polyester, une résine époxyde, une phénolique ou un mélange de ces résines.
*** Produits à base de résine époxyde.
Tableau 2. Propriétés et applications générales des principaux types de tuyaux de plastique thermodurcissable renforcé
Type de tuyau Propriétés générales Température de service maximale*, °C (°F) Méthodes de
raccordement (5, 7) Applications principales
GRP
Résistance mécanique relativement élevée ; bonne résistance à la chaleur et aux produits chimiques.
105 (220)
Raccordement par adhésifs et par joints mécaniques
Application de tuyaux où une bonne résistance à la
corrosion et aux température de service élevées est exigée à un coût inférieur à celui des tuyaux de résines époxydes.
GRE
Très bonne résistance aux produits
chimiques, comme les acides, les alcalis** et des solvants ;
résistance quelque peu limitée aux agents oxydants. 120 (250) Par utilisation de manchon de raccordement, de résines époxydes durcissant à froid, etc.
À cause de leur coût plus élevé, leur usage est limité à des applications spéciales dans le traitement chimique, particulièrement pour le pompage de liquides corrosifs*** et de boues industrielles.
* La température de service maximale dépend des propriétés chimiques de liquide à transporter. * Les tuyaux à matrice de résines époxydes réticulées aux anhydrides aromatiques n'ont aucune résistance aux alcalis caustiques.
*** Les tuyaux de résines époxydes fabriqués avec revêtement renforcé de fibre de verre C tissée sont maintenant largement utilisés pour cette application.
Tuyau de polyester renforcé de fibre de verre (GRP)
La résine matrice des tuyaux GRP (Glass-fibre-reinforced polyester) est surtout constituée d'un polyester réticulé, mais contient aussi un faible pourcentage de différents additifs (3, 4). Généralement, la matrice constitue environ 70 pour cent du poids du matériau du tuyau, le renforcement étant l'autre constituant principal. Les compositions de matrice les plus courantes utilisées dans la fabrication des tuyaux, raccords, pompes, réservoirs et conduits sont
principalement à base d'une des résines telles que le polyester tout usage, la résine polyester isophtalique modifiée, la résine polyester de bisphénol A, l'ester de vinyle et la résine polyester chlorée (pour une meilleure résistance au feu). Par une sélection appropriée de la résine, le tuyau GRP peut être conçu pour résister aux liquides ou aux terrains corrosifs et à l'action corrosive de la plupart des produits chimiques industriels, à des températures allant jusqu'à 105°C (220°F).
Les tuyaux à base de polyester ont une résistance mécanique généralement moins grande que ceux qui sont faits à base de résines époxydes et leur résistance à la température est aussi moins bonne. Cependant, un coût moins élevé et une bonne résistance à la corrosion ont accru l'utilisation de la résine polyester tout usage (conventionnelle) dans la fabrication des tuyaux, raccords, pompes et réservoirs renforcés de fibre de verre de toutes les grosseurs (3, 4). Les tuyaux faits de polyester conventionnel ont des diamètres qui varient de 25 mm (1 po) à 4,9 m (16 pi) ou plus.
A cause de leur bonne résistance à la corrosion et de leur température de service relativement élevée, les matériaux GRP sont utilisés pour la tuyauterie des usines de traitement chimique servant au transport de liquides hautement corrosifs (5). Les matériaux GRP sont de plus en plus utilisés à la place de l'acier et de la fonte dans les réseaux de distribution d'eau et à la place du béton dans les réseaux d'égouts, de drainage et d'évacuation des eaux d'égout.
Tuyau de résine époxyde renforcée de fibre de verre (GRE)
Deux types de résines époxydes sont plus couramment utilisés pour la fabrication des tuyaux GRE (Glass-fibre-reinforced époxy) : les résines époxydes à base de bisphénol A et les novolaques époxydes. Les résines époxydes de bisphénol A sont plus largement utilisées à cause de leur facilité de manutention et de leur coût moins élevé. Les novolaques époxydes, par contre, sont utilisées là où une stabilité accrue à la chaleur et une résistance maximale aux solvants sont requises. Les deux catégories de résines peuvent être traitées avec divers agents de réticulation, le choix de ceux-ci ayant un effet déterminant sur les propriétés du produit final. Les deux types d'agents de réticulation les plus courants utilisés pour la fabrication des tuyaux de résines époxydes sont les amines aromatiques et les anhydrides aromatiques. Les tuyaux faits de résines époxydes de bisphénol réticulées avec des amines aromatiques ont une bonne résistance aux sels, aux solutions acides diluées, aux solutions très caustiques et aux solvants. Les tuyaux faits à partir de résines époxydes réticulées avec des anhydrides aromatiques sont, au contraire, généralement plus friables, résistent moins aux produits chimiques et n'ont aucune résistance aux substances caustiques. Les tuyaux de résines époxydes de bisphénol réticulées avec des anhydrides peuvent être employés a des
températures allant jusqu'à 75°C (165°F), alors que ceux à base de résine réticulée avec des amines peuvent être utilisés à des températures allant jusqu'à 120°C (250°F) ou plus (5). Ni l'un ni l'autre de ces types de résine époxyde ne résiste aux acides inorganiques forts ou aux oxydants forts.
Généralement, les tuyaux de résines époxydes sont fabriqués suivant le procédé de bobinage. La plupart des tuyaux à base de résines époxydes fabriqués par bobinage ont un diamètre relativement petit, variant de 25 mm à 400 mm (l po à 16 po), contrairement aux tuyaux faits de résines polyesters qui ont un diamètre généralement plus grand et qui sont souvent faits sur commande. Les tuyaux de résines époxydes renforcées peuvent être fabriqués avec ou sans revêtement intérieur.
Les tuyaux de résines époxydes sans revêtement intérieur remplacent les conduites traditionnelles de collecte de pétrole où la résistance à l'action du pétrole brut et à l'accumulation de paraffine, ainsi que la capacité de supporter des montées de pression relativement élevées, sont nécessaires. Etant donné que la résistance de ces tuyaux aux produits chimiques est moins grande que celle des tuyaux avec revêtement, leurs autres applications se limitent au transport des solvants, des solutions contenant du sel, des acides dilués et des alcalis.
À cause de leur bonne résistance aux produits chimiques, les tuyaux de résines époxydes ayant un revêtement intérieur renforcé avec mat de fibre de verre C sont devenus très courants dans l'industrie des traitements chimiques. Par exemple, ce type de tuyau s'est avéré une solution économique à plusieurs problèmes graves de corrosion dans les usines de blanchiment de pâtes à papier, dans la production d'acide phosphorique et l'industrie du traitement des aliments. Dans la plupart des applications, le revêtement intérieur renforcé, riche en résine, a une épaisseur de 0,5 mm à 0,8 mm (0,020 po à 0,030 po). Dans les applications soumises à une exposition plus rude, on utilise un revêtement plus épais. Un tel revêtement (d'une épaisseur de 2,8 mm ou 0,11 po) est décrit dans le NBS Voluntary Standard, National Bureau of
Standards, U.S. (6).
Références
1. Blaga, A., Applications des plastiques en tuyauterie, Division des recherches en bâtiment, Conseil national de recherches Canada, Ottawa, 1981 (CBD 219F).
2. Blaga, A., Tuyauterie thermoplastique, Division des recherches en bâtiment, Conseil national de recherches Canada, Ottawa, 1981 (CBD 220F).
3. Blaga, A., Composites de polyester renforcé de fibres de verre, Division des recherches en bâtiment, Conseil national de recherches Canada, Ottawa, 1979 (CBD 205F).
4. Blaga, A., Les plastiques thermodurcissables, Division des recherches en bâtiment, Conseil national de recherches Canada, Ottawa, 1974 (CBD 159F).
5. Mallinson, J.H., Chemical Plant Design with Reinforced Plastics, McGraw-Hill Book Company, 1969.
6. Voluntary Standard PS 15-69 for Corrosion Resistant Glass Fibre Reinforced Products, National Bureau of Standards, U.S. Department of Commerce, Washington, D.C., 1970.
7. Chasis, D.A., Plastic Piping Systems, Industrial Press Inc., New York, U.S.A., 1976.
8. Schrock, B.J., Reinforced Thermosetting Resin Pipe, Transportation Engineering Journal, ASCE, Vol. 105, No. TE2, 165-183, 1979.
