Isolation des réservoirs cryogéniques : perlite sous vide ou isolation multicouche

L'isolation d'un réservoir cryogénique associe un vide poussé dans l'espace annulaire à un matériau de remplissage qui bloque le rayonnement. Les deux systèmes courants sont la perlite sous vide, un remplissage granulaire réservé aux grands réservoirs fixes, et l'isolation multicouche ou IMC, une couverture réfléchissante enroulée autour de la cuve intérieure.

Les deux systèmes dépendent du vide. Aucun ne fonctionne sans lui. Le choix entre les deux influence le taux d'évaporation, la tare, l'épaisseur de l'espace annulaire, le coût et la manière dont le réservoir est réparé en cas de perte de vide.

Cet article expose brièvement la physique en jeu et compare les deux systèmes sur les points qui pèsent dans une décision d'achat, notamment la raison pour laquelle le type d'isolation est l'une des premières questions à poser lorsque deux réservoirs d'occasion de même volume sont cotés à des prix différents.

Comment fonctionne l'isolation d'un réservoir cryogénique ?

La chaleur atteint le liquide cryogénique par trois chemins, et un système d'isolation cryogénique doit traiter les trois.

• Conduction et convection gazeuses : chaleur transportée par les molécules de gaz présentes dans l'espace annulaire, entre la cuve intérieure froide et l'enveloppe extérieure chaude
• Rayonnement : énergie infrarouge émise par l'enveloppe extérieure chaude et absorbée par la cuve intérieure froide, sans besoin de milieu de propagation
• Conduction solide : chaleur circulant le long des supports qui maintiennent la cuve intérieure et le long des tuyauteries qui traversent l'enveloppe

La mise sous vide de l'espace annulaire supprime la quasi-totalité de la conduction et de la convection gazeuses. C'est le gain le plus important à lui seul, et c'est la raison pour laquelle tout réservoir cryogénique moderne est isolé sous vide. Mais le vide ne fait rien contre le rayonnement ni contre les supports. L'espace annulaire est donc également rempli ou enveloppé d'un matériau choisi pour bloquer le rayonnement, et les supports utilisent des matériaux à faible conductivité avec de longs chemins thermiques.

Comme l'ensemble du système dépend du maintien du vide, les réservoirs à perlite comme ceux à IMC contiennent un adsorbant dans l'espace annulaire, souvent un tamis moléculaire ou du charbon actif. Il capte le gaz que les surfaces métalliques dégazent au fil des années de service. Un relevé de vide doit malgré tout être effectué tous les 6 à 12 mois.

Qu'est-ce que l'isolation par perlite sous vide ?

La perlite est un verre volcanique expansé transformé en une poudre granulaire légère. L'espace annulaire en est rempli puis mis sous vide. Les particules diffusent et absorbent le rayonnement sur toute la largeur de l'espace, et une fois le gaz retiré il ne subsiste que très peu de chemin de conduction entre elles.

Les caractéristiques qui comptent sur le plan commercial :

• Coût de matière et de main-d'oeuvre inférieur à celui d'un système IMC enroulé, en particulier sur les grandes capacités
• Robustesse et tolérance aux petites imperfections de mise en oeuvre
• Nécessite un espace annulaire plus large pour atteindre un apport de chaleur donné, ce qui augmente le diamètre de l'enveloppe extérieure et l'encombrement global
• Plus lourde, du fait de la perlite elle-même et de l'enveloppe extérieure plus grande
• Peut se tasser et se compacter avec le temps, surtout sur les équipements transportés ou soumis aux vibrations

Le tassement est le point faible pratique. À mesure que la perlite se compacte, un vide de matière peut apparaître en partie haute de l'espace annulaire, créant une zone locale d'apport de chaleur plus élevé, tandis que la matière compactée en partie basse peut solliciter la cuve intérieure. Les équipements déplacés d'un site à l'autre y sont plus exposés, ce qui explique en partie pourquoi la perlite est la norme sur les réservoirs fixes et rare sur les équipements de transport routier.

Si le vide est perdu et que de l'air humide pénètre, la perlite absorbe l'eau.

Qu'est-ce que l'isolation multicouche ou IMC ?

L'isolation multicouche, couramment appelée IMC ou MLI, parfois superisolation, est une couverture enroulée. Des films réfléchissants fins, généralement du polyester aluminisé, alternent avec un espaceur à faible conductivité tel qu'un papier de verre textile ou un filet fin. La couverture est enroulée autour de la cuve intérieure avant fermeture de l'enveloppe extérieure et mise sous vide de l'espace.

Les couches réfléchissantes s'attaquent directement au rayonnement. Chaque couche réfléchit l'essentiel de l'énergie infrarouge incidente et se situe à une température inférieure à celle qui la précède, de sorte que la chute de température se répartit sur de nombreux étages. L'espaceur empêche les films de se toucher, car un contact créerait un pont de conduction solide.

Les caractéristiques qui comptent sur le plan commercial :

• Apport de chaleur par unité de surface inférieur à celui de la perlite pour un même espace annulaire
• Espace annulaire nettement plus mince, ce qui réduit le diamètre global pour un volume intérieur donné
• Poids sensiblement plus faible, argument décisif en transport routier où chaque kilogramme de tare est une charge utile perdue
• Plus sensible à la qualité d'exécution. La densité de couches, les recouvrements et le traitement des traversées modifient tous le résultat
• Plus exigeante sur le vide. Les performances de l'IMC se dégradent plus vite que celles de la perlite lorsque la qualité du vide baisse

L'IMC est la norme sur les semi-remorques citernes cryogéniques, les conteneurs-citernes ISO, les réservoirs MicroBulk et les réservoirs fixes de petite taille. Sur les grandes capacités fixes, la situation est plus contrastée, et certains fabricants combinent les deux en enroulant la cuve intérieure d'IMC puis en remplissant de perlite l'espace restant.

Comment le type d'isolation influence-t-il le taux d'évaporation ?

L'évaporation, aussi appelée taux d'évaporation statique, est le pourcentage du contenu du réservoir qui s'évapore par jour lorsque celui-ci est plein et à l'arrêt. Les réservoirs cryogéniques fixes modernes se situent dans une plage d'environ 0,2 à 0,6 pour cent par jour, selon la taille et l'isolation.

Deux facteurs déterminent la position d'un réservoir dans cette plage :

• La taille du réservoir. Une grande capacité présente moins de surface par unité de volume stocké, donc une même qualité d'isolation donne un pourcentage plus faible. Un petit réservoir à 0,5 pour cent par jour et un grand réservoir à 0,25 pour cent par jour peuvent être aussi bien isolés l'un que l'autre
• Le système d'isolation et la qualité du vide. Pour deux réservoirs de taille comparable, un système IMC avec un vide en bon état donnera généralement une valeur plus basse qu'un système à perlite, parce que le chemin de rayonnement est mieux bloqué dans un espace plus mince

Un pourcentage d'évaporation pris isolément n'est donc pas comparable d'une offre à l'autre. Demandez la valeur accompagnée du volume de la capacité, du produit sur lequel elle a été mesurée et des conditions d'essai. Notre article sur le taux d'évaporation des réservoirs cryogéniques explique comment ce chiffre est défini, et la notion associée de temps de tenue ou de taux d'évaporation normal indique combien de temps le produit peut rester en place avant que la pression n'atteigne le tarage de la soupape.

Une valeur d'évaporation publiée décrit par ailleurs un réservoir en bon état, vide annulaire intact. Elle ne dit rien d'une unité d'occasion précise stationnée sur un parc. Seule une mesure ou un relevé de vide vous le dira.

Quel est l'effet de l'isolation sur le poids, l'encombrement et le transport ?

Pour les réservoirs fixes, le poids compte au moment de l'installation. Un réservoir rempli de perlite est plus lourd et de plus grand diamètre à capacité égale, ce qui influence le massif de fondation, la grue nécessaire à la pose et l'emprise au sol. Sur un site neuf, ce point est rarement décisif. Lors d'une intégration dans une enceinte existante, il l'est parfois.

Pour les équipements de transport, le calcul est différent et bien plus tranché :

• Le transport routier est limité par le poids total en charge, si bien que la tare réduit directement la charge utile de chaque rotation pendant toute la vie du véhicule
• Un espace annulaire plus mince permet plus de volume intérieur dans le gabarit légal de la semi-remorque ou dans les dimensions fixes d'un cadre ISO
• Les équipements de transport subissent des vibrations permanentes et des chocs, conditions dans lesquelles un remplissage granulaire peut se tasser

C'est pourquoi les semi-remorques citernes cryogéniques, les camions porteurs et les conteneurs-citernes ISO T75 sont construits avec de l'IMC plutôt qu'avec de la perlite. Il s'agit d'une conséquence de conception et non d'une préférence, et cela mérite d'être vérifié au regard de la charge utile lors de la comparaison de citernes routières cryogéniques.

Quel système d'isolation est le plus simple à réparer ?

Cette question ne se pose qu'après une perte de vide, c'est-à-dire précisément au moment où elle devient coûteuse. Les symptômes visibles sont les mêmes pour les deux systèmes : givre ou condensation sur l'enveloppe extérieure, évaporation en hausse et montée en pression plus rapide entre deux livraisons.

Si le vide s'est dégradé lentement et que l'espace est resté sec

Dans le meilleur des cas, l'espace peut être remis sous vide, souvent avec régénération de l'adsorbant par chauffage pendant le pompage, et les performances sont rétablies. Le déroulement est comparable pour les deux systèmes et c'est le résultat espéré lorsqu'un réservoir est pris en charge tôt. Notre article sur la perte de vide des réservoirs cryogéniques décrit comment cette situation se développe.

Si de l'air et de l'humidité ont pénétré dans l'espace annulaire

Ici, les deux systèmes divergent. La perlite humide doit être retirée et remplacée, ce qui suppose d'ouvrir l'enveloppe, d'extraire le remplissage, de renouveler la matière, de remplir de nouveau et de remettre sous vide. C'est une opération d'atelier au contenu de main-d'oeuvre important, mais la matière elle-même est peu coûteuse et le procédé est bien maîtrisé.

Une IMC contaminée doit généralement être déroulée et remplacée. Le coût matière est plus élevé et le réenroulement doit respecter la densité de couches correcte, ce qui exige un atelier qui pratique cette opération régulièrement.

Dans les deux cas, la fuite doit d'abord être localisée et réparée. Remettre sous vide une enveloppe dont la fuite n'est pas traitée fait gagner des semaines, pas des années.

Pourquoi l'isolation compte-t-elle quand on compare deux réservoirs d'occasion ?

Deux réservoirs d'occasion de même volume à la plaque peuvent différer par leur coût d'exploitation, et l'isolation en est une des raisons. Le produit perdu par évaporation est un produit que vous avez payé pour être liquéfié et transporté.

Lors de la comparaison des offres, demandez les éléments suivants pour chaque unité :

• Le type d'isolation indiqué par le constructeur d'origine, et non supposé d'après la forme du réservoir
• La valeur d'évaporation de conception ou le taux d'évaporation normal, avec le volume et le produit auxquels elle se rapporte
• Un relevé de vide actuel dans l'espace annulaire, avec la date à laquelle il a été effectué
• Le nombre de remises sous vide effectuées et le fait que le réservoir ait été réisolé ou non
• Le fait que l'enveloppe ait été découpée puis ressoudée, signature d'une réparation d'isolation antérieure
• Des photographies de l'enveloppe extérieure par temps frais et humide, quand les plaques de givre sont les plus visibles
• Le fait que le dispositif de sécurité de l'espace annulaire ait déjà fonctionné, ce qui indiquerait une fuite antérieure de la cuve intérieure

Un réservoir avec un relevé de vide documenté et une enveloppe saine vaut davantage qu'un réservoir moins cher et sans donnée. Commencez l'inspection par la plaque signalétique de la capacité, qui vous indique le volume, la MAWP et le code de conception que vous comparez, puis poursuivez par le carnet de maintenance planifiée.

KAF Cryogenics fournit des réservoirs cryogéniques d'occasion certifiés ayant passé l'inspection, les contrôles non destructifs NDT ainsi que les essais de vide et de pression, vendus avec un dossier documentaire et une garantie écrite. Lorsqu'un système d'isolation ou une classe de pression particulière est requis, des capacités neuves sont construites selon spécification. Les unités d'occasion certifiées peuvent être livrées depuis le stock en quelques semaines, alors qu'une fabrication neuve demande plusieurs mois.

Questions fréquentes

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