Brevet FR2023250A1 — publié le 19700807

La présente invention concerne un tuyau flexible armé pour le transport de gaz et de pétrole sous pression élevée, qui peut être envidé sur un tambour et en être dévidé. L'invention concerne en particulier des tuyaux ou conduites flexibles envidables à de hautes pression, de diamètre relativement grand, convenant pour des systèmes de transport de pétrole et de gaz basés au large -des côtes. Ces tuyaux doivent être légers et flexibles, et doivent pouvoir résister à des contraintes circonférentielles, des charges axiales et des pressions hydrostatiques externes élevées sous diverses pressions internes d'une atmosphère et au delà. Le tuyau flexible doit résister à l'abrasion et à la corrosion et ne doit pas s' effilocher lorsqu'il est coupé. I1 est connu par exemple, suivant le brevet américain de Haas n03.212.528 du 19 Octobre 1965,de confectionner sur des mandrins un tuyau en caoutchouc flexible renforcé par une armature de fils métalliques, ce tuyau convenant particulièrement pour des circuits hydrauliques à haute pression. Le tube intérieur en caoutchouc ou en matière synthétique peut être renforcé par une tresse métallique ou par plusieurs couches de fils métalliques enroulées en hélice autour du tube intérieur sous tension pour lui conférer la résistance à l'éclatement requise et empêcher tout évasement lorsque le tuyau est coupé. Les couches de fils métalliques successives sont habituellement enroulées en sens opposés et sont séparées les unes des autres par du caoutchouc ou un tissu caoutchouté, une matière plastique ou une autre matière flexible. Parmi les inconvénients de ce tuyau flexible, il y a le fait que sa longueur est limitée à celle du mandrin. Ce tuyau n' est disponible qu'avec des tubes intérieurs de diamètre intérieur relativement petit, par exemple 1,27 ou 1,9 cm pour traiter des pressions de 210 kg/cm ou plus. La déformation du tube intérieur qui est extrudé entre les spires hélicoidales des fils métalliques enroulés sous tension et qui staccentue aux pressions de travail élevées, entraîne une mise hors service prématurée du tube intérieur lorsque le tuyau est soumis à des flexions ou à des déplacements fréquents, par exemple lorsqu'onlutilise au large des côtes. L'invention a donc notamment pour but de procurer un tuyau flexible à haute pression en des longueurs continues de 5000 mètres et plus, présentant des diamètres intérieurs de 5 cm ou plus. Bien que ces tuyaux puissent être utilisés à terre, ils conviennent particulièrement pour les conduites de transport de pétrole et de gaz utilisés au large des côtes. Suivant l'invention, on remplace les deux couches de f ils métalliques précédemment utilisées par deux couches de feuillard chevauchantes. Chaque couche ou épaisseur peut ëtre faite d'une, de deux, de trois-ou de plusieurs longueurs de feuillard, de préférence deux. Lorsque plusieurs longueurs de feuillard sont prévues, on les enroule de préférence simultanément, les spires d'une longueur étant parallèles à celles des autres. Dans chaque cas, chaque couche comporte plusieurs spires hélicoïdales séparées les unes des autres par un espace étroit. Les deux couches sont enroulées dans le même sens et selon le même'pas, les spires de la couche externe chevauchant l'espace séparant les spires voisines de la couche interne. Le feuillard procure une-~surface plane t lisse-contre laquelle tube -intérieur-prend-appui sous les pressions de travail. Au moins une couche concentrique de fils métalliques à haute résistance à- la traction, enroulées en hélice sur le feuillard, détermine la résistance circonférentielle ou résistance à l'éclatement, la rigidité-en torsion et la résistance à l'écrasement Une couche concentrique de f-ils-métalliques d'-armure est enroulée en hélice sur la couche de fils métalliques intérieure à un pas compris entre ix etFhuit fois le diamètre extérieur du tuyau flexible mesuré avant application de la couche d'armure. Ceci confère la résistance à la traction et la protection nécessaire contre -toute usure par abrasion mécanique. Le tuyau flexible que lton vient de décrire peut astre utllisé dans des circuits hydrauliques et des systèr es analogues. Pour des systèmes basés au large des eôte-s, il est-préférable, en raison du milieu environnant, d'accroltre la pr-otection contre l'abrasion et la corrosion. Une couche de ruban intermédiaire est prévue ent-re le tube et le feuillard pour augmenter la protection du tube contre l'entaillage et l'abrasion par le feuillard lors d'une flexion excessive du tuyau. Une couche de matière imperméable à l'eau mais perméable au gaz d-isposée entre la couche de fils métalliques et la couche d'a-rmure protège le tuyau contre la corrosion et due à l'eau de mer/empêche:toute accumulation d'une pression de gaz sous cette couche. La couche métallique d'armure peut être protégée contre la corrosion par un gainage en matière plastique ou elle peut être noyée dans un mélange résistant à la corrosion. La présente invention procure, par -conséquent, un tuyau flexible comprenant un tube flexible, une première couche de feuil lard enroulée en hélice sur le tube de manière que ses spires voisines soient séparées par un espace étroit, une seconde couche de feuillard enroulée en hélice sur la première, ses spires voisines étant également séparées par un espace étroit, les deux couches étant enroulées dans le même sens et selon le même pas et les spires de la seconde couche chevauchant l'espace séparant les spires voisines de la première, au moins une couche de fils métalliques enroulées en hélice sur la seconde couche de feuillard et une couche métallique d'armure enroulée en hélice sur la couche de fils métalliques en sens opposé à celle-ci. Dans le dessin annexé la Fig. 1 montre un tuyau flexible confectionné conformément à 1-a présente invention, les parties constitutives de la protection du tuyau étant arrachées progressivement pour en montrer la nature, et la Fig. 2 est une vue semblable à la Fig. 1 d'une seconde forme d'exécution de l'invention. Le dessin et en particulier la Fig. 1 représentent le tuyau flexible préféré pour le service le plus rigoureux que l'on puisse rencontrer. Sur la Fig. 1, le tuyau flexible comprend un tube 10 entouré par une paroi de renforcement formée de plusieurs couches. Pour le transport du pétrole, de produits chimiques et de gaz, par exemple, la matière du tube doit être imperméable à ces produits et doit avoir une faible perméabilité aux gaz, en particulier au méthane et à l'hydrogène. La matière du tube doit être résistante à l'abrasion tout en restant suffisamment flexible pour qu'on puisse courber un tuyau flexible ayant, par exemple, un diamètre intérieur de 5 cm, autour de tambours de 1,80 mètre sans qu' il se fissure ou qu'il se déforme gravement. Dans ces conditions, le tube 10 est de préférence fait d'une matière thermoplastique, telle qu'une résine vinylique, en particulier du poly(chlorure de vinyle) ou des copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle. Une couche concentrique 12 du ruban de fond est enroulée sur le tube 10 selon des spires hélicoïdales parallèles ou bien selon des spires hélicoidales qui peuvent chevaucher d'une distance comprise entre 0 et 35 % de la largeur du ruban. Sur la Fig. 1, le chevauchement des spires est d'environ 20 %. Le ruban de fond peut être un ruban de coton ou de fibres synthétiques, imprégné de préférence d'une matière autovulcanisante synthétique qui n'exige pas de cuisson. Pour un service moins rigoureux, le ruban de fond peut être supprimé. Une couche concentrique 14 de feuillard est enroulée en hélice sur le ruban 12 mais en sens inverse du ruban 12. Dans cette couche interne, l'espacement des spires doit Aetre suffisant pour permettre toute flexion requise du tuyau. L'espacement peut être compris entre environ 0,5 et 3,8 mm, de préférence entre 1,8 et 2,5 mm de manière à assurer un recouvrement de 93 à 98 % de la surface sous-jacente. Les longueurs de feuillard peuvent avoir une largeur comprise entre 1,9 et 3,8 cm environ, de préférence 2,5 et 3,2 cm environ. Les feuillards sont de préférence en acier à ressort trempé, comportent des bords arrondis et présentent une résistance à la traction minimum d'environ 12.250 kg/cm2 et un allongement uniforme minimum d'environ 3 %. Le feuillard suit les tolérances standards. Une couche concentrique 16 de feuillard est enroulée en hélice sur la couche de feuillard 14 au même pas et dans le même sens, sauf que chaque spire de la couche radialement externe 16 chevauche l'espace étroit séparant chaque spire voisine de la couche radialement interne 14. Les spécifications de la couche 14 valent également pour la couche 16. Les couches de pontage et en particulier la couche radialement interne procurent une surface lisse et pratiquement continue contre laquelle le tube 10 et le ruban 12 peuvent porter, sous des pressions de'210 kg/cm2 et plus. Toute extrusion du tube 10 et du ruban 12 dans les espaces entre les spires du feuillard 14, ne peut aller au-delà, du fait du chevauchement de la couche 16. Ce chevauchement doit être suff i- sant pour couvrir ces espaces dans toutes les conditions de travail. Au moins une couche concentrique 18 de fils métalliques est enroulée en hélice sur la couche de feuillard 16. Une couche de fils métalliques concentriques 20 est enroulée en sens inverse et de préférence en hélice sur la couche de fils métalliques 18. La couche 20 procure une construction équilibrée ou compensée et augmente la résistance circonférentielle, si on le désire, tout en utilisant encore du fil métallique d'une résistance à la traction et-d'une flexibilité raisonnablement élevées. Pour obtenir une bonne flexibilité dans les conditions de travail, l'espacement entre les spires doit déterminer un recouvrement de 94 à 97 % de la couche sous-jacente, de préférence un maximum d'environ 96 . Pour une seule couche, le diamètre du fil métallique peut être compris entre 0,89 mm et 2,54 mm, de préférence entre 1 mm et 2,3 mm. Pour produire la résistance circonférentielle ou résistance à l'éclatement nécessaire dans les conditions de pression et de flexion variables précitées, et pour produire la rigidité en torsion et la résistance à l'écrasement, par exemple avec une pression nulle dans le tube 10, le fil métallique d'une couche doit être un fil très résistant, c'est-à-dire un fil d'une résistance comprise de préférence entre 14.000 et 18.900 kg/cm2 environ, de préférence entre 15.050 et 16.800 kg/cm2. Une couche de fils métalliques peut-comprendre de-s spires hélicoidales d'un seul fil métallique, bien qu'il soit préférable d'enrouler un certain nombre de fils métalliques simultanément. Une couche concentrique 22 de matière imperméable à l'eau est enroulée en hélice sur la couche de fils métalliques 18 ou 20 pour empêcher l'eau de venir en contact avec les couches de fils métalliques et les couches de feuillard, ce qui aurait pour effet de les corroder. La matière doit avoir une perméabilité relativement élevée aux gaz, tels que le méthane et l'hydrègène, lorsque le tuyau armé transporte des gaz. La perméabilité doit être supérieure à celle du tube 10 pour empêcher les gaz de s'accumuler et de se comprimer entre le tube 10 et la couche 22. Pour ce service, la couche imperméable à l'eau est de préférence faite d'une matière autovulcanisante, par exemple du néoprène ou du polyéthylène. Lorsque le tube 10 est en poly(chlorure de vinyle), le néoprène et le polyéthylène~respectivement ont une perméabilité environ quatre et deux fois supérieure à celle du poly(chlorure de vinyle) vis-à-vis du méthane et de l'hydrogène. La matière peut être un ruban, par exemple un stratifié de fibres de verre et d'une autre matière flexible imprégnée d'une matière autovulcanisante prise en sandwich entre deux rubans de néoprène ou de polyéthylène. La couche 22 peut comprendre de 1 à 3 couches de ruban enroulées selon des spires hélicoidales parallèles, ou bien les spires peuvent chevaucher, en particulier lorsque l'on n'utilise qu'une seule couche. Pour un service moins rigoureux, la couche 22 peut être supprimée. Une couche concentrique 24, de fils métalliques d'armure est enroulée er hélice sur la couche 18, 20 ou 22, selon la structure du tuyau flexible en ce point. La couche de fils métalliques d'armure 24 est habituellement enrouléeen sens inverse de la couche de fils métalliques sous-jacente. Ceci est essentiel lorsque l'on n'utilise qu'une seule couche de fils métalliques 18 pour empêcher tout couple unidirectionnel excessif dans la structure du tuyau. La résistance à la traction de la couche de fils d'armure 24-doit être suffisante pour supporter le poids (charge axiale) de la structure du tuyau sur n'importe quelle longueur requise-ainsi que la contrainte de traction engendrée dans le tuyau flexible lorsque l!on travaille dans la ,gamme de pressions requise. Par exemple, pour chaque intervalle de 0,14 kg/cm2 de contrainte d'éclatement radiale (pression de travail) apparaît environ 0,07 kg/cm2 de contrainte'en traction. La couche 24 comprend un grand nombre de fils métalliques enroulés simultanément. Le diamètre du fil métallique dlarmure peut être compris entre 3,2 et 7,6 mmss de préférence entre-3,8 et 5,7 mm environ. Le pas de chaque spire hélicoïdal peut être compris entre 3 et 10 fois environ, de préférence entre 6 et 8 fois environ le diamètre extérieur-du tuyau flexible avant application de la couche 24. Une couche de protection contre la corrosion 26 faite d'une matière résistant à la corrosion est utilisée pour protéger la couche de fils métalliques d'armure 24 de la-corrosion et de 1'abrasion. Comme le montre la Fig. 1, cette matière peut comprendre des produits naturels ou synthétiques, par exemple une couche d'asphalte et de blanc d'Espagne appliquée sur la couche 22 et suffisante pour couvrir la couche 24. Pour un service moins rigoureux, on peut supprimer la couche 26. I1 est préférable que les couches de renforcement en acier 14, 16, 18, 20 et 24 soient préfaçonnées au moment de l'application, à un diamètre inférieur à celui auquel elles doivent être enroulées en hélice. C-e préfaçonnage force les spires à enserrer les couches sous-jacentes ou à s'ajuster contre celles-ci et ainsi à procurer un tuyau inerte ou "mort". Ceci facilite les manipulations, par exemple -lors- de son envidage ou dévidage d'un tambour et supprime l'évasement indésirable des extrémités des couches à l'endroit d'un plan de sectionnement. Le pas des spire-s de la couche de fils métalliques d'armure 24 a été décrit. Le pas de toutes les spires sous-jacentes est de préf-érence plus court. La Fig. 2 représente d'autres formes d'exécution de l'invention dans lesquelles la matière imperméable à l'eau est représentée sous la forme a'une couche extrudée 22a et la aire résistant à la corrosion a la forme d'une couche extrudée 26a. A titre d'exemple d'une.construction spécifique, un tuyau flexible comportant toutes les couches représentées sur la Fig. 1 est confectionné à l'aide d'un tube en poly(chlorure de vinyle) 10 de 5 cm de diamètre intérieur et de 5,715 cm de diamètre extérieur. La couche 12 comprend un tissu de coton imprégné de néoprène de 5 cm de largeur et de 0,38 mm d'épaisseur. Les spires sont juxtaposées et forment un angle de 16 29' avec un rayon normal du tuyau. Les couches 14 et 16, enroulées dans le même sens chacune, comprennent deux feuillards enroulés simultanément. Chaque feuillard a 2,5 cm de largeur et 0,25 mm d'épaisseur. Il est fait d'un acier à ressort non oxydé trempé contenant de 0,68 à 0,80 de carbonze, présentant des bords arrondis et ayant une résistance à la traction de 14.000 kg/cm2, un allongement minimum et uniforme d'environ 3 % et des tolérances standards. L'espacement entre des spires hélicoidales parallèles est d'environ 2,5 mm, assurant un recouvrement d'environ 96 %. Les axes médians de la couche 16 coïncident approximativement avec les espaces séparant les spires de la couche 14. Les couches 18 et 20 sont enroulées en sens inverses et comprennent chacune 24 fils métalliques enroulés simultanément. Chaque fil rond a 2 mm de diamètre et est fait d'un fil à ressort tréfilé dur, de qualité Border & Brace, ayant une résistance à la traction d'environ 17.750 kg/cm2-. L'espacement entre des spires voisines détermine un recouvrement d'environ 96 %. La couche 22 comprend un stratifié fait de deux rubans de néoprène avec un ruban intercalaire en fibres de verre tissées revêtu de néoprène. Le stratifié a une largeur de 4,445 cm et une épaisseur de 0.76 mm. La couche 22 comprend trois épaisseurs de ruban juxtaposées, enroulées alternativement en sens inverses et selon des spires héli- cotidales parallèles. Les spires de la troisième épaisseur radialement externe forment un angle de 13029' avec un rayon normal du tuyau. Une couche plus épaisse d'un mélange d'asphalte et de blanc 22 pour constituer la couche d'Espagne est appliquée sur la couche/26. La couche 24 posée dans la couche 26 et couverte par celle-ci comprend 48 fils métalliques enroulés simultanément en sens inverse des spires de la couche 20. Les spires sont enroulées à un pas environ 7 fois supérieur au diamètre extérieur de la couche 22 qui est de 7,26 cm. Chaque fil d'armure a un diamètre de 4,19 et est fait d'un fil métallique de base dur galvanisé électrolytiquement (classe C). Toutes les couches de renforcement en acier/prefaçonnées de manière qu'elles enserrent les couches sous-jacentes. Le tuyau flexible achevé ayant un diamètre extérieur d'environ 8,15 cm est fourni sur un dévidoir de câble de 1,8 mètre de diamètre. Le tuyau flexible achevé est conçu pour une pression de travail d'environ 210 kg/cm2 et est susceptible de soutenir des pressions allant jusqu a 630 kg/cm2 et des charges axiales allant jusqu'à 27.240 kg sans éclater. A une pression interne nulle, le tuyau flexible achevé peut soutenir une pression extérieure maximum d'environ 35 kg/cm2 et une charge axiale d'environ 27.240 kg sans s'aplatir. Sous des pressions de travail qui peuvent varier par exemple entre 210 ét 700 kg/cm2, l'utilisation de couches de feuillard 14 et 16 a donné des resultats étonnamment meilleurs que ceux des couches de fils métalliques précédentes. Ces dernières ne produisent en effet qu'un contact linéaire, l'extrusion du tube 10 et du ruban 12 entre chaque spire de fil métallique ayant pour effet de déformer la paroi du tube. Des points affaiblis sont, par conséquent, créés dans le tube et entraînent une rupture prématurée de la paroi de celui-ci. Comme décrit plus haut, une ou plusieurs couches de fils métalliques sont enroulées sur la couche de feuillard radialement externe. La surface lisse de cette couche externe permet à une couche de fils métalliques de glisser axialement avec beaucoup plus de liberté par rapport au tube 10 qu'une couche de fils métalliques 16 lorsqu'un tuyau flexible est coudé ou plié ou soumis à des conditions de pression variables. On a constaté que ceci augmente la longévité du tuyau flexible dans des conditions de travail rigoureuses. Bien que l'exemple ci-dessus illustre une forme d'exéeution préférée de l'invention, il est clair que des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les couches protectrices 12, 22 et 26 peuvent être supprimées si l'on désire utiliser le tuyau flexible armé à terre. Les couches de protection extrudées 22a et 26a représentées à la Fig. 2 peuvent-remplacer les couches 22 et 26 . Un ajustage approprié des calibres et des dispositions des couches de fils métalliques et de feuiliards, ainsi qu un choix des propriétés mécaniques appropriées doivent rendre possible des constructions destinées à des pressions de travail plus élevées ainsi que des tuyaux flexibles de plus grand ou de plus petit diamètre. L'invention est caractérisée par divers avantages déterminés. En premier lieu, elle procure un tuyau flexible, envidable de grande capacité destiné à être utilisé sous des pressions élevees à l'aide d'un renforcement nouveau combinant des feuillards et des fils métalliques. En second lieu, elle procure un tuyau flexible propre à être utilisé au large des côtes pour transporter ou distribuer du pétrole et du gaz, qui est protégé contre l'abrasion, la corrosion et l'accumulation d'une pression de gaz interne- par une nouvelle combinaison de couches protectrices. En troisième lieu, elle procure un tuyau flexible en des longueurs continues et importantes. On peut fabriquer un tuyau flexible continu en n'importe quelle longueur requise en appliquant les couches de renforcement sur la même longueur, par exemple, d'un tube intérieur en matière plastique extrudée. Ceci contraste avec la fabrication connue des tuyaux flexibles à haute pression sur des mandrins ayant une longueur maximum d'environ 60 mètres. I1 est évident que l'économie réalisée par la suppression de raccords est également appréciable lorsque l'on a recours à la présente invention. En dernier lieu, elle procure un tuyau flexible destiné à être utilisé au large des côtes qui possède une meilleure longévité en service, résiste à des contraintes de cisaillement, des charges axiales et des pressions hydrostatiques externes élevées sous diverses charges de pression internes et qui peut être récupéré en vue d'être utilisé partout ailleurs lorsqu'il n'est plus nécessaire. REVENDICATIONS 1.- Tuyau flexible caractérisé en ce qu'il comprend un tube flexible, une première couche de feuillard enroulée en hélice sur le tube, les spires voisines du feuillard étant séparées les unes des autres par un espace étroit, une seconde couche de feuillard enroulée en hélice sur la première, un espace étroit séparant les-spires de-feuiliard voisines, les deux couches étant enroulées dans le meme sens et au même pas et les spires de la seconde couche chevauchant l'espace prévu entre les spires voisines de la première, au moins une couche de fils métalliques enroulés en hélice sur la seconde couche et une couche de fils d'armure enroulés en hélice sur la couche de fils métalliques et en sens inverse de celle-ci. 2.- Tuyau flexible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière du tube est choisie parmi le poly(chlorure de vinyle) et les copolymères d'acétate de vinyle et d'éthy lène. ).- Tuyau flexible suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une couche concentrique de ruban de fond enroulé en hélice entre le tube et la première couche de feuillard. 4.- Tuyau flexible suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les spires successives du ruban de fond chevauchent les spires précédentes d'une distance correspondant à environ 0 à D5 % de la largeur du ruban. 5. - Tuyau flexible suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ,ce que chaque couche de feuillard comprend de une à trois longueurs de feuillard en acier de ressort disposées parallèlement les unes aux autres. 6.- Tuyau flexible suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le feuillard a une largeur comprise entre 1,9 cm et 3,8 cm et un écartement entre les spires d'environ 0,5 à 3,8mm. 7.- Tuyau flexible suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des couches de fils métalliques concentriques, les spires hélicoidales parallèles de ces couches étant enroulées en sens opposés et chaque couche comprenant un grand nombre de fils métalliques disposés parallèlement les uns des autres. 8.- Tuyau flexible suivant la revendication 7, carac térisé en ce que l'écartement entre les spires voisines est tel que les fils métalliques de chaque couche couvrent un maximum d'environ 96 % de la surface sous-jacente. 9.- Tuyau flexible suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une couche concentrique de matière imperméable à l'eau est prévue entre la couche de fils métalliques et la couche de fils d'armure, la matière étant davantage perméable aux gaz que le tube, de sorte qu' un gaz traversant le tube traverse également la couche de matière perméable à l'eau. 10.- Tuyau flexible suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend d'une à trois couches de ruban imperméable à l'eau enroulées en hélice, ces couches étant enroulées en sens inverse d'une couche de ruban précédente. 11.- Tuyau flexible suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la matière imperméable à l'eau est choisie entre le néoprène et le polyéthylène. 12.- Tuyau flexible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'armure enroulée en hélice comprend un grand nombre de fils métalliques disposés parallèlement les uns des autres et le pas de chaque spire de fil est compris entre 3 et 10 fois le diamètre extérieur du tuyau flexible avant application de la couche d'armure métallique. 13.- Tuyau flexible suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une couche concentrique de matière résistant à la corrosion pour protéger la couche d'armure de la corrosion. 14.- Tuyau flexible suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la matière résistant à la corrosion comprend un mélange d'asphalte et de blanc d'Espagne dans lequel la couche d'armure est posée. 15. - Tuyau flexible suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la matière résistant à la corrosion comprend une couche extrudée sur la couche d'armure, la couche extrudée comprenant une matière choisie entre le néoprène et le polyéthylène.