Brevet FR2042523A1 — publié le 19710212

i 2042523 Cette invention concerne les matériaux de flottabilité destinés à une utilisation dans divers environnements sous-marins ainsi que les méthodes de préparation de ceux-ci. Dans les diverses sortes de travaux sous-marins, tels que 5 les petites recherches sous-marines et les installations pétroli-fères en mer, il est nécessaire de prévoir un matériau de flottabilité pour compenser le poids du matériel. Ce matériau de flottabilité doit être imperméable à l'eau et doit être capable de résister à des pressions de la grandeur rencontrée dans les 10 profondeurs sous-marines à 600 mètres au-dessous de la surface par exemple. Il est également important que le matériau de flottabilité soit de poids spécifique faible car les matériaux de flottabilité ayant un poids spécifique relativement élevé nécessitent un poids de matériau- élevé pour une spécification 15 donnée de flottabilité massique, la flottabilité massique étant la différence de poids entre le matériau de flottabilité et le poids du même volume d'eau salée. Jusqu'alors, il a été possible de réaliser des matériaux de flottabilité structurellement sûrs ayant des poids spécifiques 20 aussi faibles que 464 Kg/m3 par l'utilisation de mousses "syntactiqu^" . L'utilisation de ces mousses"syntactiques" légères est limitée à des profondeurs de 180 m au maximum. Dans ce cas, chaque mètre cube de matériau pesant 464 Kg dans l'eau salée procure une flottabilité de 560 Kg. Des poids spécifiques de 25 576 Kg / m3 sont nécessaires pour des profondeurs allant jusqu'à 2.000 m . Selon la présente invention, il est fourni un matériau de flottabilité composé d'un ensemble de corps creux en résine thermoplastique ayant une section transversale sensiblement 30 circulaire dans un plan au moins, lesdits corps ayant une densité totale inférieure à un et une matrice durcie dans laquelle les corps creux sont enfermés, ladite matrice ayant une densité inférieure à un. Egalement selon cette invention,il est fourni une méthode 35 de préparation d'un matériau de flottabilité comportant le remplissage d'un moule par plusieurs corps creux en résine thermoplastique ayant une section transversale sensiblement circulaire dans un plan au moinset ayant une densité totale inférieure à un, et la coulée, dans ledit moule et autour des corps creux, 40 d'une matière durcissable qui forme, quand elle est durcie, 70 16847 2042523 une matrice dans laquelle sont enfermés les corps creux, ladite matrice ayant une densité inférieure à un. Le matériau de flottabilité de cette invention remplit les conditions mentionnées plus haut et possède Un poids 5 spécifique de l'ordre de 350 Kg / m3 et pouvant descendre jusqu'à 288 kg / m3. On a trouvé que la pression limite d'implosion d'une sphère creuse en matériau thermoplastique double approximativement quand celle-ci est enrobée d'une mousse"syntactique" en raison du supplément de rigidité fourni par la mousse. De plus, étant lOdonné que le volume global des sphères peut s'élever jusqu'à 85 % du volume total rempli, l'utilisation de la mousse "syntactique" coûteuse est sensiblement limitée ce qui réduit encore plus sensiblement le prix de revient total par kilogramme de flottabilité. 15 on gg reportera maintenant aux dessins annexés, dans lesquels; La Figure 1 représente une structure de flottabilité à peu près ronde avec une coupe partielle de l'intérieur montrant des sphères creuses de diverses tailles; et La Figure 2 montre en coupe deux hémisphères de matériaux 20 thermoplastiques ayant des pourtours complémentaires mâle et femelle. La Figure 1 représente une structure de flottabilité 11 remplie de sphères 12 dont le centre est creux . On voit également dans la structure 11 des sphères 13 plus petites qui peuvent 25 être utilisées en combinaison avec les grandes sphères 12 dans un mode de réalisation de l'invention. La Figure 1 montre également des microsphères 14 qui sont utilisées en plus des sphères 12 et 13. Les détails des sphères 12 sont représentés sur la Figure 2. 30 Les lèvres de l'hémisphère femelle 19 et de l'hémisphère mâle 20 sont construites avec un rebord extérieur 21 pour l'hémisphère 19 et un rebord intérieur 22 pour l'élément mâle 20,afin de s'adapter étroitement l'un dans l'autre, en formant une sphère. Quand ilc sont réunis les hémisphères 19 et 20 peuvent être 35 scellées sur leur pourtour par un moyen classique quelconque; les ultrasons étant appropriés. Les hémisphères 19 et 20 peuvent être en n'importe laquelle de nombreuses résines thermoplastiquesi Le mode de fabrication préféré des hémisphères 19 et 20 est à partir d'une résine 40 thermoplastique chargée de fibres de verre longues. Il s'est avéré 70 16847 2042523 particulièrement utile d'utiliser un styrène acrylonitrile avec une charge de 35 % de fibres de verre longues. On peut utiliser des fibres de verre courtes et des proportions plus faibles de verre mais il s'est avéré que celles-ci donnaient des limites 5 de pression d'implosion plus faibles. Les fibres de verre sont indiquées par le repère numérique 23 dans les hémisphères 19 et 20. Les hémisphères sont formé s par moulage par injection par pairescomplémentaires selon un procédé connu dans la technique, La dimension des sphères a été déterminée comme étant 10 optimale dans la gamme comprise entre un diamètre de 12,7 mm et un diamètre de 101,6 mm. A l'heure actuelle, un diamètre de 50,8 mm est considéré comme préférable. L'épaisseur de paroi va de 0,762 mm à 1,778 mm. Une fois les sphères 12 formées par moulage par injection 15 et scellage des hémisphères, elles sont intégrées dans la structure de flottabilité en étant placées dans un moule de façon aussi œmpacte que possible et au hasard. Elles sont en fait sensiblement plus tassées dans le moule que représenté sur la Figure 1, les sphères étant représentées éparpillées sur cette figure dans 20 un but d'illustration. Il s'est avéré qu'avec des sphères d'un seul diamètre, environ 62 % en moyenne du volume du moule est rempli par les sphères. Des rapports de volume de remplissage sensiblement plus élévés peuvent être obtenus par l'utilisation de sphères de deux dia-25 mètres ou plus. En supposant dans ce cas que les plus grandes sphères tendent vers la limite supérieure de la gamme précitée, il s1est avéré optimaïque les diamètres des plus petites sphères soient égales, à un septième de celui des plus grandes sphères. Avec deux diamètres de sphères, la limite de remplissage théorique 30 est de 85 %, mais on peut atteindre en pratique des densités de remplissage de 80 % . La densité de remplissage peut être encore augmentée par l'utilisation de trois diamètres ou plus, le troisième étant égal à un septième du second. Une fois les sphères tassées dans le moule de la manière la 35 plus compacte possible, la mousse "syntactique" est dévorée .autour des sphères. Avant qu'elle durcisse, elle est suffisamment fluide pour remplir complètement les interstices compris entre les sphères et pour constituer, quand elle durcit, une matrice rigide servant de support pour lés sphères. 40 La mousse "syntactique" telle qu'elle est utilisée ici 70 16847 2042523 est une résine durcissable chargée de microsphères de verre creuses extrêmement petites telles que définies par le bureau des normes américaines (ASTM) pour la mousse"syntactique" La résine peut être polyester t époxy, phénolique, ou une autre 5 résine à durcissement exothermique. Le processus de durcissement peut être favorisé par un traitement tiiermique. On doit choisir une mousse à microsphères de résine d'environ 576 Kg / m3. Des considérations de poids spécifique et de prix de revient démontreront la valeur du composé sphère-mousse "syntactique". 10 Les sphères ayant été fabriquées jusqu'alors ont un poids spécifique allànt de 120 Kg / m3 à 200 Kg / m3. Quand elles sont combinées avec des mousses "syntactiques" allant elles-mêmes de 560 à 64Ç Kg / m3, des poids spécifiques globaux de matrice de 320Kg/m3 à 384 Kg / m3 sont facilement atteints, et des poids spécifiques 15 aussi faibles.que 288 Kg/m3 peuvent Stte obtenus avec des mousses "syntactiques" quelque peu plus légères. Des considérations de prix de revient font également ressortir la valeur de l'invention. Le prix de chaque sphère thermoplastique revient aux alentours de vingt cinq centimes en production industrielle. Le prix de 20 revient total par kilogramme de flottabilité du composé est d'environ onze à douze francs. Cependant, les mousses "syntactiques" de poids spécifique plus élevé, utilisées seules jusqu'alors revenaient jusqu'à quatre vingt quinze francs par kilo de flottabilité. L'économie est due en partie à la sensible augmentation 25 de la flottabilité massique par kilogramme de matériau et en partie au fait que 80 % du volume de la matrice est formé par les sphères thermoplastiques très peu coûteuses. Une des principales raisons pour laquelle la pression limite d'implosion des sphères est environ doublée semble provenir 30 du fait que la liaison entre la mousse "syntactique" et les sphères thermoplastiques est très bonne. Les sphères thermoplastiques ellos mêmes sont rendues sensibleocnt plus solides par l'emploi des fibres de verre longues. Bien que 35 % ait été indiqué comme la proportion optimale pour les fibres de verre, des proportions 35 descendant jusqu'à 20 % sont admissibles. Une autre méthode de fabrication est l'opération de remplissage sous vide. Dans cette méthode, après avoir rempli le moule de sphères, des microsphères à l'état ëec peuvent être verséeg dans le moule autour des sphères plus grosses. Une résine à 40 faible viscosité est alors refoulée dans le moule et les 70 16847 5 2042523 microsphères sont imprégnées. Un traitement thermique consécutif est nécessaire avec ce procédé» Cependant, cette variante n*est pas très pratique pour les grosses pièces. Une variante de structure des sphères consiste à former 5 des corps allongés creux ayant des sections transversales circulaires. Des cylindres avec des extrémités hémisphériques seront efficaces dans certains cas, de même que des corps ayant des sections transversales ovales perpendiculaires à des sections transversales circulaires. Ceux-ci . peuvent:, être formés par des paires complémentaires séparées suivant l'axe longitudinal. Cependant, ils ne sont pas préférés en raison de la difficulté d'obtenir des densités de tassement élevé, avec les formes non sphériques. Les utilisations de ce matériau de flottabilité sont nombreuses et variées dans le domaine sous-marin. La première est pour les sous-marins afin de procurer un supplément de flottabilité. La seconde est pour les flotteurs sous-marins utilisés pour le repérage des instruments de recherche. Un troisième champ d'application est pour la flottâtion de matériel divers pour les plate-formes de forage sous-marin. L'utilisation du matériau de flottabilité autour dTun tel matériel permet l'élimination des dispositifs de hissage actuellement nécessaires et permet par conséquent le forage en eaux plus profond. De nombreuses autres utilisations se présenteront d'elles-mêmes à l'homme de l'art. 70 16847 6 2042523 REVENDICATIONS 1»- Un matériau de flottabilité caractérisé par un ensemble de corps creux en résine thermoplastique ayant une section transversale sensiblement circulaire dans au moins un plan, 5 lesdits corps ayant une densité totale inférieure à un, et une matière durcie dans laquelle les corps creux sont enfermés* ladite matrice ayant une densité inférieure à un. 2.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la résine thermoplastique est 10 chargée de fibres de verre longues. 3.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait que la résine thermoplpstique est un styrène acrylonitrile» 4.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 1-2 15 ou 3, caractérisé par le fait que les coïrps creux sont des sphères et sont constitués par deux hémisphères complémentaires fondus ensemble. 5.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les sphères ont un diamètre compris 20 entre 12,7 mm et loi,6 mm. 6.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que les sphères ont chacune l'un de • deux diamètres, le rapport entre les deux diamètres étant de 7/1. 25 7.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que les sphères ont une épaisseur de paroi comprise entre 0,762 mm et 1,778 mm. 8.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les sphères ont chacune l'un 30 de plusieurs diamètres, chacun desdits diamètres étant égal au l/7ème du diamètre immédiatement supérieur. 9.- Un matériau de flottabilité selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé par le fait que la matrice durcie est de la mousse "syntactique". 35 lo.- Une méthode de préparation d'un matériau de flottabilité caractérisée par le remplissage d'un moule par plusieurs corps creux en résine thermoplastique ayant une section transversale sensiblement circulaire dans un plan au moins, lesdits corps ayant une densité totale inférieure à un, et par la coulée, 40'dans le dit moule et autour des corps creux, d'une matière 70 16847 7 2042523 durcissable qui forme,quand elle est durcie, une matrice dans laquelle sont enfermés les corps creux, ladite matrice ayant une densité inférieure à un.