Tuyaux haute épaisseur et grand diamètre: comment éviter tout fléchissement durant leur extrusion

L'utilisation croissante de tuyaux d'un diamètre compris entre 630 mm et 1 200 mm dans différentes applications a incité au développement de matériaux PE100 permettant d'éviter tout fléchissement durant l'extrusion des tuyaux grand diamètre.

Maintenir des dimensions conformes aux spécifications complique l'extrusion des tuyaux PEHD à paroi épaisse et grand diamètre (paroi > 75 mm) du fait du fléchissement dû à une résistance insuffisante de la résine à l'état fondu.

L'augmentation du diamètre d'un tuyau PEHD durant l'extrusion entraîne:

• Une augmentation de son épaisseur;
• Un refroidissement insuffisant de l'intérieur et du noyau du tuyau;
• Un ralentissement de la ligne.

La production des tuyaux de diamètre élevé exige généralement 3 h 30 et certains segments peuvent présenter les différences suivantes:

• Différence de cristallinité;
• Différence d'épaisseur;
• Différence de taux d'humidité, etc.

Augmentation du degré de cristallinité:

Dans la plupart des processus d'extrusion du PEHD, entre 60 % et 80 % de la cristallisation s'effectue durant la phase de refroidissement, et 90 % dans un délai d'une semaine. La cristallisation complète peut exiger des mois, en fonction de la température ambiante. Le processus se poursuit toutefois jusqu'à atteinte d'une structure cristalline stable.

Le problème du fléchissement dans l'extrusion des tuyaux:

L'intérieur des tuyaux à paroi épaisse reste souple durant une période prolongée, entraînant un écoulement descendant du flux fondu nommé affaissement.

Le fléchissement lié à l'extrusion des tuyaux peut entraîner des irrégularités graves dans l'épaisseur de la paroi, augmenter l'ovalité et compromettre la concentricité du tuyau, aboutissant ainsi à des pertes de matériau au bas du tuyau, à des coûts de production accrus et à une qualité médiocre.

Le fléchissement se produit toujours avec les tuyaux grand diamètre et forte épaisseur, et consiste dans l'écoulement du matériau vers le bas du tuyau avant son refroidissement à l'eau.

Deux manières permettent d'éliminer tout fléchissement lors de l'extrusion:

a) Modification de l'entrefer de la filière, mais l'opération prend du temps, consomme davantage de matériau et entraîne une variation de l'épaisseur. Modifier la filière permet également d'éviter une forte épaisseur de paroi au bas du tuyau.

b) Utilisation d'un matériau PEHD à faible affaissement et optimisation du processus de refroidissement. On pense généralement qu'un composition à base de polyéthylène bimodal haute viscosité à faible contrainte de cisaillement améliore le comportement de fléchissement du polymère fondu. Le tuyau est extrudé au travers d'une filière en anneau et refroidi au niveau de ses surfaces internes et externes.

Modification de la filière:

La méthode conventionnelle permettant de réduire l'affaissement consiste à réguler manuellement l'excentricité de la filière jusqu'à obtenir une épaisseur acceptable de la paroi.  Cette procédure d'essai- fastidieuse- et qui comporte des erreurs peut exiger plusieurs tentatives afin d'obtenir un profil correct. En vue de réduire les interventions et compenser l'effet d'affaissement, l'entrefer de la filière est remonté avant l'extrusion.

On peut pour cela utiliser des instruments de mesure de l'épaisseur à ultrasons à quatre points situés à 90 ° les uns des autres, et qui affichent la variation de l'épaisseur. En alternative, un équipement portatif permet de mesurer l'épaisseur à différentes hauteurs du tuyau.

Une fois familiarisé avec la variation d'épaisseur, il est possible de procéder à un réglage fin en modifiant la température de la résistance segmentée de manière à contrôler l'épaisseur et éviter les déchets tout en améliorant la qualité.

Qu’est-ce que le PEHD à faible affaissement?

Les nouvelles résines «à faible fléchissement» permettent désormais de produire des tuyaux offrant un diamètre supérieur et des parois plus épaisses.  On assiste à une forte demande de compositions polyéthylène spéciales, qui optimisent le rapport entre comportement à faible fléchissement et capacité de traitement, pour les tuyaux sous pression grand diamètre (jusqu'à 1 200 mm) avec une épaisseur de paroi de 100 mm, lesquels peuvent être extrudés sur les lignes existantes et moyennant des réglages standards des têtes de filière. La composition doit également équilibrer propriétés mécaniques et résistance à la pression en vue d'être conforme aux exigences de la PE100. (Backman, M & Lind, C. 2001).

Du fait de la haute épaisseur des parois et du refroidissement lent dû à la conductivité thermique du PE, il est absolument indispensable que le PEHD à l'état fondu présente une résistance suffisante à éviter l'affaissement du matériau vers le bas du tuyau.

Des tentatives ont été effectuées dans ce sens avec une conception moléculaire du PEHD associant haute résistance à l'état fondu, bonne capacité de traitement et rendement satisfaisant.

L'utilisation d'hexène comme comonomère dans une résine PE100 spécialement développée pour les tuyaux très grand diamètre offre les avantages suivants:

• Résistance accrue aux fissures lentes;
• Résistance accrue à la propagation des fissures rapides;
• Résistance supérieure à l'état fondu (faible fléchissement).

La distribution du poids moléculaire du BorSafe HE3490-ELS-H, PE100 a été corrigée en vue d'augmenter la viscosité à faible vitesse de cisaillement, ce qui réduit l'affaissement durant le processus d'extrusion et permet simultanément d'utiliser le matériau pour les tuyaux de diamètre inférieur. Ce polyéthylène bimodal haute densité MRS 10 est spécialement conçu pour simplifier la production des tuyaux en PEHD à grand diamètre et paroi épaisse (environ 80 mm d'épaisseur) grâce à sa résistance exceptionnelle au fléchissement et à l'état fondu. De nombreux essais ont confirmé une augmentation moyenne de 7 % en termes d'économies de matériau et un meilleur contrôle de la dimension par rapport au PE100 standard lors de la production de tuyaux d'épaisseur supérieure à 80 mm, et ceci indépendamment du diamètre externe du tuyau. Des essais ont par ex. été effectués sur des tuyaux 1 200 mm x SDR 11 avec un matériau standard à faible fléchissement et un autre à extra-faible fléchissement. L'essai a clairement indiqué une distribution de l'épaisseur bien supérieure avec le matériau extra-faible fléchissement. (Abdullah Saber & Hussein Basha,2021).

En outre, l'utilisation d'un outillage adapté et d'un matériau à faible fléchissement permet de maintenir une faible valeur de surpondération aboutissant à une réduction des matières premières et donc des coûts de production. Généralement, tous les fabricants de tuyaux s'efforcent d'atteindre une tolérance d'épaisseur de 30 %. Ceci pour deux raisons: une haute qualité mais, surtout, des coûts de production réduits. L'objectif est d'atteindre une surpondération de 3–3,5 %.