De la réflexion après coup à l'avantage

Mark Krajewski et Justin Rispoli, Aspen Aerogels Inc., présentent le rôle essentiel de l'isolation en aérogel dans l'optimisation de la conception des actifs de GNL et la manière dont ses performances thermiques supérieures, sa durabilité et ses propriétés d'économie d'espace contribuent à une efficacité accrue, une conception optimisée et une valeur à long terme.

Alors que les besoins mondiaux en énergie ne cessent d’augmenter, les ingénieurs et les propriétaires qui construisent et mettent en service la prochaine génération d’installations d’approvisionnement en énergie sont obligés de les construire plus rapidement, plus efficacement et avec un impact carbone total plus faible.

Ces pressions macroéconomiques poussent les acteurs du processus de développement des plantes à rechercher tous les avantages possibles, aussi subtils soient-ils, pour atteindre ces objectifs.

Quel que soit le mode de construction utilisé, qu'il s'agisse d'une construction entièrement modulaire ou d'une construction modulaire de pointe, l'objectif est de faire plus avec moins et plus rapidement. Cependant, à mesure que le mode de construction passe de la construction traditionnelle à la construction 100 % modulaire, l'importance de l'efficacité de la conception et de la construction s'accroît.

Dans le monde de la construction modulaire, l'espace et le poids sont les deux ressources les plus précieuses pour les ingénieurs concepteurs. Bien que possible, il est extrêmement difficile de quantifier l'impact de chaque kilo ou centimètre d'espace supplémentaire sur la conception d'un module. Ce qui est certain, en revanche, c'est que la réduction du poids et le gain d'espace sont le souhait de tous les acteurs d'un projet modulaire.

Lorsqu'on lui a demandé de partager ses réflexions sur l'importance de l'espace et du poids dans la conception, la construction et le transport des modules, le directeur de programme et spécialiste de la construction modulaire Kacey Sutton de KBR a offert les éclairages suivants :

En modularisation, la réduction du poids et de l'espace requis pour les éléments est une valeur quasiment inestimable. Cette réduction joue un rôle majeur dans presque tous les aspects de l'ingénierie et de la construction des modules : l'espace d'accès et de maintenance autour des tuyauteries et des équipements ; les équipements (tels que les grues et les SPMT) nécessaires à la construction, au transport et à l'installation des modules sont déterminés par leur taille et leur poids ; le dimensionnement de la structure métallique est déterminé par le poids et les charges des tuyauteries, des équipements et des autres éléments ; et de nombreux autres facteurs sont liés à ces deux paramètres. Pour les modules, la principale contrainte de coût est l'expédition et le transport, qui dépendent presque entièrement du poids, de la taille et de l'espace des modules. Ainsi, chaque centimètre carré et chaque kilo carré sont d'une importance capitale dans le contexte global.

Il incombe au concepteur d'exploiter toutes les possibilités de gain de poids et d'espace. Un élément peut avoir un impact significatif, mais il est souvent négligé : le système d'isolation.

Les systèmes d'isolation traditionnels sont volumineux, encombrants et ajoutent inévitablement du poids. Il faut maintenant considérer que la plupart FLNG, FPSO et FSRU ont de nombreuses applications à double service comme la protection contre le froid et acoustique ou contre le froid et protection incendie passive, et ces systèmes d'isolation déjà imposants, encombrants et lourds peuvent encore gonfler en taille et en poids. Cet article vise à montrer une méthode simple et efficace pour gagner de la place et du poids grâce à une solution éprouvée en termes de résistance thermique, de protection passive contre l'incendie et d'atténuation acoustique (perte d'insertion en décibels) : une couverture isolante en aérogel.

Les concepteurs d'installations offshore sont constamment à la recherche de solutions pour améliorer l'efficacité de leurs installations, tout en respectant les objectifs de conception. Ces objectifs incluent généralement la capacité nominale, la sécurité des travailleurs, la conformité aux réglementations sur les émissions et la résistance aux catastrophes telles que les ouragans et les incendies. Le concepteur est quelque peu contraint, car le nombre et le diamètre des tuyaux, la métallurgie et l'épaisseur des parois sont tous fixés par la conception du procédé, elle-même dictée par la taille et le nombre d'unités de traitement de l'installation. Traditionnellement, cette conception se limitait à des règles empiriques standardisées concernant l'espacement des tuyaux et la structure des racks, basées non pas sur la taille des tuyaux eux-mêmes, mais sur le diamètre extérieur du tuyau isolé. Cette mesure, traditionnellement considérée comme fixe, est désormais un levier précieux pour le concepteur afin de réduire l'empreinte de l'installation.

La figure 1 illustre une coupe transversale de tuyauteries pour services chauds et froids, avec une épaisseur d'isolation comparable, afin de répondre aux objectifs de conception thermique standard. Du côté froid, l'objectif de conception est un critère de contrôle de la condensation. Dans cet exemple, les trois isolants auraient à peu près la même température de surface et la même propension à condenser l'humidité ambiante sur la gaine isolante lors de conditions météorologiques très humides.

En utilisant Cryogel® Z isolation thermique à base d'aérogel à haute efficacitéLe diamètre isolé de la conduite passe de 18.625 cm à 14.225 cm, soit une réduction d'environ 24 %. Grâce à une isolation plus performante, le concepteur a pu placer cinq conduites dans le même espace que quatre auparavant. Il en va de même pour les travaux à chaud, où l'on observe une réduction du diamètre isolé maximal de 13.5 cm à 8.1 cm, soit une réduction de 40 %. La figure 2 illustre concrètement cet effet : deux conduites de jetée de GNL sont installées côte à côte, l'une avec des matériaux isolants rigides traditionnels, l'autre avec des matériaux isolants rigides. Cryogel® Z.

Selon Ryan Whitley, vice-président de State Service, un chantier modulaire populaire à Ingleside, au Texas :

« L'encombrement et le poids globaux sont deux éléments essentiels de la conception et de la réalisation de projets de construction modulaire. La possibilité de réduire le poids et/ou de gagner de l'espace, sans compromettre la sécurité ou les performances, constitue un avantage. »

Ajoutez à cela des conditions de conception incroyablement complexes et rigoureuses pour installations offshore telles que les FLNG, les FPSO et les FSRU et vous avez un défi encore plus grand : rendre les choses plus petites et plus légères.

Et si l'on prenait en compte cette réduction de diamètre et en analysait l'impact sur différentes températures et diamètres de procédé ? La figure 3 illustre cette différence pour un rack de tuyauterie comportant 57 lignes de procédé différentes. Avec l'exemple de tuyauterie et de température de procédé, la différence d'épaisseur d'isolation permet de supprimer un niveau entier du rack, économisant ainsi 1.83 tonne d'acier de construction par mètre de rack. Dans les installations FLNG, où chaque kilo de masse en surface est critique, l'intérêt est évident.

La réduction du diamètre extérieur de l'isolant a non seulement un impact positif sur la conception du rack, mais peut également avoir un effet proportionnel sur la charge de vent subie par le rack. La figure 4 détaille la charge de vent subie par un pied linéaire de tuyau isolé soumis à des vents de 120 km/h. La charge de vent est l'un des facteurs déterminants des exigences de résistance du rack, tant pour les installations terrestres que flottantes. Pour une installation terrestre, les effets de la charge se limitent à la base du rack et aux exigences de fondation. Pour une installation flottante, la stabilité est également à prendre en compte dans la conception. Dans le cas d'une installation flottante, la longueur effective sur laquelle la charge de vent agit correspond au centre de rotation de la structure, qui peut être plusieurs fois plus long que le point de rencontre du rack et de la structure porteuse de la coque. Cela amplifie l'avantage de toute réduction de la charge de vent, en réduisant le diamètre du tuyau isolé. Non seulement vous pouvez réduire le poids des structures porteuses, mais vos calculs de flottabilité et de stabilité en bénéficient également.

Parmi les différentes exigences de conception imposées aux installations FLNG, nombre d'entre elles concernent la sécurité des opérateurs et des autres personnes travaillant sur et autour de l'installation. Ces exigences de conception multidimensionnelles se généralisent à mesure que les nouvelles générations d'installations sont proposées et conçues. Un exemple récent est l'avènement des exigences de protection contre les fuites froides, désormais quantifiées dans la série de normes ISO-20088.

Les installations offshore ont toujours exigé des exigences en matière de protection passive contre les incendies, mais leur utilisation et leurs spécifications sont de plus en plus répandues et sophistiquées. Ces régimes de protection sont désormais souvent séquentiels : un système est d'abord soumis à l'impact d'un liquide cryogénique, puis exposé à un jet de feu.

Le choc thermique résultant du passage de températures d'azote liquide (-196 °C) à des températures de 1250 XNUMX °C en jet de feu est pour le moins extrême. Notamment, Pyrogel® et CryogelLes isolants en aérogel ® Z ont été testés selon ces doubles régimes de protection conformément aux normes ISO-20088-3 et ISO-22899 et ont obtenu des homologations pour diverses configurations, durées et rapports HP/A (figures 5 à 8) dans une solution unique. Les systèmes d'isolation thermique traditionnels nécessitent des systèmes distincts pour la conception thermique et la protection passive contre l'incendie, ce qui ajoute du poids et de la complexité.

LNG Les installations de FLNG nécessitent souvent des systèmes d'isolation répondant aux exigences de conception thermique et assurant une réduction de la puissance acoustique conformément à la norme ISO-15665. Les mouvements de gaz à grande vitesse dans les installations de GNL constituent une source majeure de bruit. Tout comme les applications de lutte contre les incendies passifs et les déversements de produits froids, les systèmes d'isolation cryogénique rigides traditionnels ne peuvent à eux seuls offrir le double avantage thermique et acoustique. Il est donc nécessaire d'appliquer deux systèmes d'isolation distincts sur le même tuyau (figure 9) : l'un thermique et l'autre purement acoustique, le système thermique n'apportant aucun avantage acoustique et le système acoustique ne pouvant être considéré comme apportant un avantage thermique.

De plus, comme il s’agit d’un travail à froid, les deux systèmes doivent être soigneusement scellés à la vapeur. CryogelL'isolant aérogel ® Z, quant à lui, peut offrir des avantages thermiques et acoustiques à partir du même matériau. Dans l'exemple de la figure 9, CryogelL'isolant ® Z permet d'obtenir la conception thermique souhaitée et une classe acoustique D avec seulement 3.2 cm d'épaisseur. L'avantage en termes d'efficacité pour le concepteur est considérable, car CryogelLe système d’isolation en aérogel ® Z est moins d’un tiers plus épais que le système traditionnel, tout en étant beaucoup plus facile à installer et avec un coût total d’installation inférieur.

L'objectif de cet article est clairement de présenter des données sur la valeur potentielle de ces matériaux lorsqu'ils sont utilisés pour améliorer la conception des installations. Il serait négligent de ne pas aborder également certains avantages opérationnels et d'installation de ces matériaux. Les entreprises d'isolation ayant travaillé sur un important projet FLNG ont déclaré que leur productivité en mer équivalait à environ 90 minutes de temps réel sur les outils, pour chaque quart de travail de 10 heures auquel un calorifugeur participait, soit une mesure de 15 % du temps d'outillage. Dans une étude contrôlée et bien conçue, CryogelL'isolation ® Z s'installe environ 30 % plus rapidement qu'une isolation rigide traditionnelle. C'est un avantage pour toute installation cryogénique, mais lorsque le temps d'installation effectif des matériaux est d'environ 15 %, c'est un véritable changement.

CryogelL'isolation ® Z ne nécessite pas de joints de contraction, pourtant nécessaires dans les systèmes d'isolation rigides, difficiles à installer et sujets aux défaillances. D'un point de vue opérationnel, si vous concevez selon des critères de contrôle de la condensation, vous réduirez les gaz d'évaporation simplement en spécifiant Cryogel® Isolation Z ; dans certains cas, jusqu'à 50 % de moins selon la taille du tuyau et les exigences thermiques. CryogelL'isolant aérogel ® Z est facile à inspecter, réutilisable et ne se fissure ni ne se fragilise à des températures cryogéniques. En bref, il s'agit simplement d'un format plus adapté à l'isolation cryogénique.

Une conversation récente avec Tom Lyons, chef d'équipe du groupe Intégrité, Corrosion et Matériaux chez Wood PLC, résume bien la valeur que l'isolation flexible en aérogel peut apporter au concepteur d'actifs FLNG :

Le poids et l'espace sont des préoccupations majeures en mer, et c'est particulièrement vrai pour le FLNG. Les unités de liquéfaction de GNL nécessitent une isolation importante, traditionnellement encombrante et contribuant de manière surprenante au poids total des FLNG en surface. L'application de plusieurs couches d'isolant épais, même sur de petits tubes, peut rapidement occuper un espace précieux sur le pont et sur les supports de tubes. Les aérogels tels que CryogelLes isolants ® sont légers et généralement plus compacts, ce qui les rend parfaitement adaptés au FLNG.

Dans la quête toujours croissante de créer la prochaine génération de navires onshore et offshore Installations de GNL Plus efficace, plus économique et réduisant l'empreinte carbone, un nouvel outil puissant est né d'une source des plus inattendues : l'isolation thermique. L'isolation par aérogel peut contribuer grandement à atteindre ces objectifs, à condition d'être conçue en conséquence.