Pourquoi privilégie-t-on les tuyaux en PEHD dans les projets de rejet en mer ?

Les systèmes d’émissaires marins et les projets d’ingénierie côtière sont des domaines opérationnels exigeants où coexistent des forces hydrodynamiques et des conditions environnementales agressives. Le transport sécurisé des eaux usées, des eaux de refroidissement ou des lignes de circulation d’eau de mer est d’une importance critique pour l’intégrité structurelle du projet et la durabilité environnementale. L’insuffisance des matériaux de tuyauterie traditionnels dans ces environnements agressifs, à la lumière des développements de la science des matériaux et de la technologie des polymères, a fait de l’utilisation des tuyaux en Polyéthylène Haute Densité (PEHD – HDPE) une norme d’ingénierie.

L’effet corrosif de l’eau de mer et la corrosion des tuyaux

L’eau de mer est un électrolyte hautement agressif avec une conductivité électrique élevée, contenant en moyenne 3,5 % de sels dissous (environ 35 000 ppm). Sa concentration élevée en ions chlorure (Cl⁻), sulfate (SO₄²⁻) et en oxygène dissous (O₂) provoque une corrosion électrochimique sévère dans les systèmes de tuyauterie métalliques.

Dans les tuyaux en acier traditionnels, le processus de corrosion se produit par des réactions anodiques et cathodiques comme suit :

 
• Réaction anodique (dissolution du fer) : Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
 
• Réaction cathodique (réduction de l’oxygène) : ½O₂ + H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻
 
• Produit de corrosion général (formation de rouille) :

Cette dégradation électrochimique entraîne une diminution de l’épaisseur de paroi au fil du temps dans les tuyaux métalliques, provoquant des fuites et finalement la défaillance du système. Dans les tuyaux en béton armé, la diffusion des ions chlorure déclenche la corrosion des armatures, provoquant des fissures structurelles. Par conséquent, l’utilisation de matériaux n’entrant pas en réaction électrochimique est essentielle pour les infrastructures en contact avec l’eau de mer.

Résistance du Polyéthylène Haute Densité à l’eau salée

Les tuyaux PEHD sont des thermoplastiques semi-cristallins non polaires produits par la polymérisation de monomères d’éthylène (C₂H₄) avec des catalyseurs Ziegler-Natta ou Phillips. La structure de la chaîne moléculaire du PEHD ne comprend que des atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H) et ne contient ni électrons libres ni polarité. Grâce à cette structure chimique, les tuyaux PEHD ne participent pas aux réactions ioniques dans l’eau de mer et possèdent une résistance totale à la corrosion galvanique. Le taux de cristallinité élevé des chaînes polymères (généralement >60 %) empêche la diffusion de l’eau de mer et d’autres produits chimiques agressifs dans la matrice polymère, garantissant ainsi la préservation des propriétés physiques et mécaniques du matériau pendant de nombreuses années.

Performance hydraulique sécurisée dans les fermes piscicoles

L’efficacité énergétique des systèmes de circulation pour les fermes piscicoles et les projets d’émissaires marins dépend directement de la lissité hydraulique de la surface interne du tuyau. En mécanique des fluides, les pertes de charge internes (h𝒇) sont couramment calculées à l’aide de l’équation de Darcy-Weisbach :

Ici ; 𝒇 représente le facteur de friction, L la longueur du tuyau, D le diamètre interne, v la vitesse du fluide, et g l’accélération gravitationnelle. La valeur de rugosité absolue (ε) des tuyaux PEHD se situe approximativement entre 0,0015 et 0,007 mm.

Selon l’équation de Colebrook-White, le facteur de friction (𝒇) est directement lié à la lissité de la surface. Cette valeur de rugosité ultra-faible du PEHD crée des pertes de charge inférieures par rapport aux tuyaux en béton ou en acier. Par conséquent, la consommation d’énergie des pompes est minimisée dans les circulations d’eau à haut débit, tandis que le risque d’adhésion biologique (biofouling) est également réduit.

Résistance aux UV et durée de vie prolongée

Les tuyaux positionnés sur ou près de la surface en haute mer sont exposés à des niveaux élevés de rayonnement solaire (UV-A et UV-B). Si les polymères ne sont pas protégés contre les rayons UV, le mécanisme de photo-oxydation est activé et les radicaux libres provoquent une scission des chaînes polymères, entraînant la fragilisation du matériau. Pour résister à ce mécanisme de dégradation, une quantité optimale de noir de carbone (généralement 2 à 2,5 %) est intégrée à la recette de production des tuyaux PEHD. Le noir de carbone agit comme un excellent absorbeur d’UV, convertissant l’énergie des photons en chaleur et la dissipant loin de la matrice polymère. Cela préserve les propriétés viscoélastiques du matériau et assure une durée de vie de plus de 50 ans dans les applications offshore.

Kuzeyboru : Tests de durabilité dans les laboratoires Kuzeyboru

La base de la fiabilité d’un projet repose sur le contrôle strict de la qualité et les processus de laboratoire mis en œuvre lors de la phase de production. Dans les laboratoires de Kuzeyboru, une série de tests thermomécaniques sont effectués conformément aux normes internationales pour les tuyaux PEHD destinés à des applications critiques telles que les émissaires marins :

Test de pression hydrostatique (ISO 1167) : Pour examiner le comportement au fluage (creep) du polymère en fonction du temps, une contrainte circonférentielle (σ) est appliquée aux échantillons de tuyaux à des températures spécifiques (20°C et 80°C). La capacité de pression de service à long terme du système est vérifiée sur la base de la formule de Barlow P = (2 × σ × e) / (D − e).

Temps d’induction à l’oxydation (OIT-ISO 11357-6) : Pour déterminer la stabilité thermique du tuyau et la durée de vie du pack antioxydant, le temps nécessaire au matériau pour commencer à s’oxyder est mesuré à haute température à l’aide d’un appareil de calorimétrie différentielle à balayage (DSC).

Tests de traction et d’allongement (ISO 6259) : La limite d’élasticité et les valeurs d’allongement à la rupture des tuyaux sortant de la ligne d’extrusion sont analysées pour garantir les paramètres de flexibilité et de ténacité du matériau.

Capacité de production de PEHD de grand diamètre

Les lignes d’émissaires marins nécessitent le transfert de débits massiques importants. La relation entre le débit de fluide (Q) et le diamètre du tuyau (D) est exprimée par l’équation Q = (π × D² / 4) × v. Pour transporter le débit élevé requis (Q) aux vitesses limites souhaitées (v), il est nécessaire d’augmenter la section transversale (A), et donc le diamètre du tuyau. La production de tuyaux PEHD de grand diamètre est un processus exigeant nécessitant une technologie d’extrusion avancée, la conception de moules et des processus de refroidissement (bac sous vide) précis. À mesure que l’épaisseur de paroi augmente, la minimisation des contraintes résiduelles pouvant survenir lors du refroidissement de la masse fondue de polymère est un problème d’ingénierie critique. Les machines de haute technologie et l’expertise en contrôle de processus de Kuzeyboru permettent de produire ces tuyaux PEHD de grand diamètre avec une épaisseur de paroi homogène et des propriétés mécaniques supérieures, répondant pleinement aux besoins hydrauliques des projets.