Brevet FR2142764A1 — publié le 19730202

La présente invention concerne les tuyaux souples en caoutchouc renforcé par des fibres et à haute résistance mécanique. Comme il est bien connu, de tels tuyaux souples en caoutchouc doivent faire face aux exigences toujours croissantes qui, actuellement, rendent nécessaires des diamètres internes de 100 mm, voire plus, et à la possibilité de supporter des pressions internes atteignant 700 atmosphères en pression absolue, Par ailleurs, on a besoin, à des fins spéciales, de tuyaux souples en caoutchouc qui doivent résister à une pression extérieure supplémentaire de 300 atmosphères en pression absolue ainsi qu'à une force de 300 tonnes agissant dans le sens axial et qui conviennent pour entre chargés par un couple atteignant 2000 kg.m. Etant donné que les tuyaux souples en caoutchQuc classiques ne peuvent pas supporter de telles charges, on a suggéré de réaliser des tuyaux souples en caoutchouc au moyen de plusieurs couches superposées, tissées circulairement0 Toutefois, la période de vie utile ou durabilité de tels tuyaux en caoutchouc est insuffisante. Il en est ainsi en raison du fait que leurs fibres tressées frottent l'une contre l'autre sous l'action de la pression interne qui, en général, apparaît sous la forme de pointes de pression. Une autre suggestion connue consiste à utiliser des couches dont les fibres présentent alternativement des directions ou pas opposés. Toutefois, avec de tels tuyaux souples en caoutchouc, il est très difficile d'assurer une coopération entre des couches de diamètres différents. De plus, ces couches présentent une torsion relativement élevée en présence des charges. On a suggéré d'améliorer la coopération des couches de tels tuyaux souples en caoutchouc en s'écartant de l'angle de pas classique de 35016' par rapport à l'axe du tuyau, angle que l'on a considéré comme étant idéal A cette fin, on a choisi de façon classique des angles qui sont similaires paire par paire de couches, on bien on a utilisé des différences légères d'angle entre les couches associées Toutefois, de telÇ artifices n'ont pas réussi de façon satisfaisante à assurer une bonne coopération entre les couches En outre, les forces se manifestant diffèrent considérablement les unes des autres et des mesures effectuées ont indiqué des variations de 50 à 300%. La présente invention a pour objet de remédier à de tels inconvénients et de permettre l'obtention de tuyaux souples en caoutchouc renforcés par des fils métalliques et à résistance mécanique élevée, dont les couches présentent une coopération désirée dans les conditions d'utilisation. Pour déterminer avec certitude les causes des défauts précités, on a effectué diverses investigations comme exposé ci-après. On a exposé à une pression un tuyau souple en caoutchouc comprenant deux couches enroulées suivant un angle ayant la valeur classique de 35016t Le tuyau souple en caoutchouc présentait une déviation de torsion considérable pour une variation insignifiante de longueur. Cette déviation de torsion apparaissait déjà à des pressions relativement basses de l'ordre de 25 à 50 atmosphères, après quoi ses variations devenaient négligeables à mesure que la pression croissait.Le sens de la torsion était toujours tel que la couche supérieure subissait un resserrement, On pourrait sans doute expliquer un tel comportement des tuyaux souples en caoutchouc par la technique de fabrication de ces tuyaux, laquelle exige que la coopération entre les couches puisse être obtenue après un certain resserrement en raison du fait que, pendant la fabrication, il existe toujours un certain relàchement résiduel dans la structure du tuyau souple en caoutchouc par suite du retrait mutuel de ses couches.On obtient un resserrement en raison du fait que le diamètre de la couche interne augmente lors de la déviation de torsion tandis que le diamètre de la couche extérieure diminue, Ce resserrement atteint environ 0,1 à 0,8 mm dans le cas de tu yatox souples entièrement en caoutchouc ayant des diamètres de l'ordre de 76à 101 millimètres. De ce fait, avec des tuyaux souples en caoutchouc à deux couches on obtient une coopération des couches par une déviation de torsion bien que les charges qui y sont présentes ne soient pas uniformes, et des expériences ont montré que la différence entre ces charges s'élève jusqu a environ 50 %, de sorte qu'il ne faut pas la négliger, Avec des tuyaux souples haute pression en caoutchouc comportant plus de deux couches, les diffi ou étranglement~~~~~~ cultés sont encore plus grandes, étant donné que le resserrement/ entre les diverses couches ne résulte pas toujours d'une déviation de torsion.Par exemple, dans le cas d'un tuyau souple en caoutchouc à quatre couches dans lequel les couches sont alternativement enroulées suivant des pas opposés et selon des angles uniformes ou bien sont enroulées paire par paire avec le même angle, la couche inférieure extrême présente une déviation de torsion vers l'extérieur tandis que la seconde couche se trouve déviée vers l'intérieur lors de l'application d'une pression interne. De ce fait, l'interstice entre la première et la seconde couche diminue. Toutefois, la première couche amène, parnin- termédiaire du raccord du tuyau en caoutchouc, la troisième couche de pas similaire à se dilater ou à s'évaser, ce qui a pour effet d'accroitre le diamètre de cette dernière.Etant donné que le diamètre de la seconde couche a diminué, on ne peut obtenir un étranglement ou resserrement nécessaire pour une coopération entre la seconde et la troisième couche. En résumé, des différences entre les charges dans les couches et les déformations en présence de telles charges sont dues à trois raisons, En premier lieu, on ne peut pas éliminer entièrement un étranglement ou resserrement des couches en présence d'une charge, mtme si on utilise le meilleur procédé connu pour la fabrication. En second lieu, une déviation de torsion n'implique pas des charges uniformes dans les couches. En outre, cette déviation est la cause de forces de cisaillement qui font que la durée de vie utile des tuyaux souples se trouve limitée dans des proportions importantes.En troisième lieu, on ne peut fabriquer les couches de fils métalliques de renforcement des tuyaux souples en caoutchouc à service intensif qu'à partir de matériaux ayant des propriétés d'allongement ex traordinairement faible , c'est-à-dire que l'on utilise, en fait, des matériaux ayant des propriétés d'allongement pratiquement nulles. En conséquence, ces matériaux ne subiront aucun allongement , ce qui aurait permis une compensation des différences de charges entre les couches d'un tuyau souple encaoutchouc De ce fait, le seul artifice permettant d'obtenir un étranglement ou resserrement entre les couches d'un tuyau souple en caoutchouc et une uniformité des charges des couches est la variation de la longueur du tuyau. Toutefois, à cet effet, il faut enrouler les couches selon des angles divers dont la variation est telle que , lors du changement de longueur, le diamètre des couches enroulées selon des les QU as plus suivant clefs andes pas élevés variera plus que le diamètre de celles enroulées7plüs faibles. Un autre point réside dans le fait que si la couche inférieure extrême ou les couches inférieures du tuyau souple en caoutchouc sont enroulées selon un angle ou pas plus grand que la valeur de 35016', le tuyau souple en caoutchouc se rac courcit en présence d'une pression interne, tandis que si les couches sont enroulées suivant un angle plus faible que la va leur précitée, la longueur des tuyaux en caoutchouc augmente. On s'est alors aperçu que l'on peut obtenir un resserrement ou étranglement et une répartition des charges uniformes dési rées entre les couches par suite des variations de longueur si les pas des couches d'un tuyau souple en caoutchouc du type à raccourcissement diminuent et si les pas des couches des tuyaux en caoutchouc du type à allongement s'accroissent radialement vers l'extérieur de façon telle que la différence angulaire en tre les couches de pas plus élevés soit plus faible que la dif férence entre les angles des couches de pas plus petits, ce qui constitue le moyen général de la présente invention.On peut démontrer que pour trois couches superposées cette exigence si gnifie une relation dans laquelle où D' å 1 ' ')j+l désignent les diamètres initiaux, D'å D' j , D' désignent les diamètres modifiés et I)'. j+l désigne le numéro de série d'une couche dans une direction extérieure dans le sens radial. La relation (1) qui doit entre satis faite également par les autres couches signifie que dans le cas de tuyaux souples en caoutchouc comportant plus de trois couches renforcées par des fils métalliques, la différence entre les mo difications de diamètre des deux premières couches doit être égale à la différence entre les modifications de diamètre des deux secondes couches. Les calculs basés sur la relation (1) donnent la relation suivante entre les angles d'enroulement des trois couches superposées Dj-1tg &alpha; j-1 + Dj+1tg &alpha; j+1 = Djtg &alpha; j ..... (2) où a est l'angle que font les fils métalliques des couches par rapport à l'axe des tuyaux. Les angles d'enroulement des autres couches sont calculés d'une façon similaire, La relation (2) établit une interdépendance stricte entre les angles d'enroulement des couches superposées dans un groupe de telles couches, Toutefois, on a constaté qu'il faut satisfaire d'autres exigences si on désire obtenir des resserrements ou étranglements et des répartitions de charges uniformes entre les couches. En premier lieu, les deux angles limites, c'est-à-dire les angles d'enroulement de la couche intérieure extrême et de la couche extérieure extrême, doivent être choisis en fonction de la plus faible différence entre les contraintes se manifestant dans les couches individuelles, les contraintes elles-mêmes étant déterminées par mesurage.En second lieu, il convient de considérer également que les tuyaux souples en caoutchouc comportant des couches ayant des angles d'enroulement élevés se rapprochant de 900 sont moins souples, ce qui signifie qu'ils sont le siège de contraintes relativement élevées lorsqu'on les courbe En troisième lieu, plus la différence entre les angles d'enroulement est grande, plus la variation de longueur requise pour le resserrement des couches est faible De telles considérations montrent que dans le cas de tuyaux souples en caoutchouc comportant au moins trois couches superposées, la différence entre les deux angles limites se situe entre 6 et 800, tandis que les angles intermédiaires doivent tre choisis de façon à satisfaire la relation (2). La différence entre les variations de diamètre est alors la cause d'un étranglement ou resserrement de 0,1 à 0,8 mme De ce fait, dans son sens le plus large, la présente invention a trait à des tuyaux souples en caoutchouc renforcés par des fils métalliques à résistance mécanique élevée, ces tuyaux souples comprenant plusieurs couches de fils métalliques qui supportent la charge et sont incorporées auxdits tuyaux , chaque couche de fils métalliques étant constituée par plusieurs fils métalliques individuels, flexibles, enroulés en hélice autour de l'axe du tuyau d'une façon connue en soi, Le moyen général de la présente invention réside dans le fait que la couche de fils métalliques intérieure extrême et la couche de fils métalliques extérieure extrême sont enroulées, par rapport à l'axe du tuyau, suivant des angles dont la différence se situe entre 6 et 800, tandis que les angles d'enroulement de trois couches contiguës satisfont la relation(2) précitée. On va maintenant décrire la présente invention de façon plus détaillée en se référant au dessin annexé sur lequel les figures 1 à 3 sont des vues en perspective d'exemples de réalisation de tuyaux souples conformes à l'invention, les parties terminales des couches des tuyaux ayant été sectionnées progressivement de façon à laisser voir la nature des diverses couches, Sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments constitutifs, Si l'on se réfère au dessin, on voit que la figure 1 montre'un tuyau souple en caoutchouc comportant quatre couches de fils métalliques 10, 12, 14, 16 , chaque couche étant constituée par un grand nombre de fils métalliques individuels fins, à forte résistance à la traction et disposés en spires hélicordales parallèles autour de l'axe I-I du tuyau.Les hélices sont à pas opposés dans les paires extrêmes de couches de fils métalliques 10, 12, 14, 16, respectivement Les diverses couches de fils 10, 12, 14S 16 sont isolées l'une de l'autre, d'une façon connue en soi, au moyen de couches (par exemple en tissus aoutchoutés) 18, 20 et 22 respectivement Une couche de répartition de pression 24 en un tissu non métallique est placée sous la couche de fils métalliques intérieure extrême et cette couche entoure elle-même un tube de caoutchouc 28 D'autre part, la couche de fils métalliques 16 est entourée par une gaine constituée de la meme façon par un tissu non métallique, cette gaine étant elle-même recouverte par une enveloppe extérieure en caoutchouc 320 Conformément à la présente invention, la relation (2) exige que D1tg2 a 1 + I)3tg2 a 3 3 2D2tg2 a 2 et D2tg2 a 2 + D4tg2 a 4 z 2D3tg2 a où 6 # a1 - a4 # 600 et &alpha;1 > &alpha;2 > &alpha;3 > &alpha;4 Si on désire que le tuyau en caoutchouc possède une résistance à l'éclatement et une résistance à la traction égales ainsi qu'une capacité égale à supporter les charges radiales et axiales, il faut que les angles d'enroule- nient satisfassent une autre relation exigeant que :: sin &alpha;1 + sin &alpha;2 + ... + sin &alpha; n = n. 0.21.t.T (3) où ol 1 &alpha;2, ...;an désigneles angles d'enroulement n désigne le nombre des couches de renforcement;; t désigne l'entraxe (exprimé en centimètres) entre les fils métalliques d'une paire de spires contiguës d'une couche renforcée par des fibres désigne la somme (exprimée en kilogrammes) des forces extérieures axiales chargeant les couches individuelles P désigne les forces (exprimées en kilogrammes) apparaissant dans les couches de fils métal liques D désigne le diamètre moyen (exprimé en centi mètres) des couches de fils métalliques, Dans le cas présent, n = 4 et D1 + D2 + D3 + D4 D = ----------------- 4 I1 faut choisir les directions des fibres dans les couches en tenant compte des déviations de torsion. Par exemple, dans le cas du tuyau en caoutchouc à quatre couches donné à titre d'exemple, les deux couches intermédiaires 12 et 14 sont toutes deux enroulées dans une direction donnée tandis que les deux couches extrêmes 10 et 16 sont toutes deux enroulées dans une directioncpposée , Si,Si, au cours de la fabri- cation, les dimensions de ce tuyau en caoutchouc s'écartent des valeurs calculées, une déviation de la première couche 10 a tendance à comprimer ou resserrer la troisième couche 14 par l'intermédiaire du raccord ou accouplement du tuyau non représenté. Un léger retrait entre la deuxième (ou quatrième) couche 12 (ou 16) et la troisième couche 14 se manifeste alors comme si la troisième couche était enroulée dans la m#me direction que la première couche 10. On peut appeler une telle nouvelle structure de tuyau souple en caoutchouc : agencement du type A - B - B - A , où A désigne une direction choisie et B désigne la direction opposée. En plus de l'avantage mentionné ci-dessus et résidant dans une réponse favorable à une déviation de torsion, le tuyau précité présente comme autre avantage que le diamètre moyen des paires de couches enroulées dans des dire c- tions opposées est exactement le mêmes Cette uniformité de deux diamètres moyens se traduit par des résultats similaires à ceux des couches tressées ou tissées circulairement mais sans l'action d'affaiblissement indésirable des fils métalliques qui frottent les uns contre les autres. La figure 2 illustre, à titre d'exemple, un mode de réalisation qui diffère du mode précédent en deux points. En premier lieu, il comporte trois couches de fils métalliques de renforcement au lieu de quatre, et, en second lieu une de ces couches est une couche 34 constituée par des spires d'un seul fil métallique hélicoSdal ayant une section rectangulaire 34a et non pas d'un grand nombre de fils métalliques indi visuels. De ce fait, la couche de fil métallique 34, qui est sub- stituée à la couche de fils métalliques 10 du mode de réalisation précédent, présente une force d'inertie élevée qui est égale au moins à cinq fois la force d'inertie des autres couches de fils métalliques 12 et 14 pour un diamètre moyen D1 et pour un angle d'enroulement faible a1 égal au plus à 5 O Si la relation (3) est satisfaite par les divers paramètres de ce tuyau en caoutchouc, ce dernier conviendra pour supporter, en plus des pressions internes et externes comme dans le cas précédent, des charges axiales supplémentaires élevées provenant de longueurs excessives telles que celles nécessaires dans des forages profonds où des tuyaux souples en caoutchouc doivent pouvoir être à même de fonctionner à des profondeurs de 3000 mètres, voire plus. On a constaté que dans des cas analogues, l'action d'écrasement de la charge supplémentaire axiale élevée est contrecarrée par la couche intérieure extrême 34 du système formée par une hélice de construction spécifiée. La figure 3 représente un exemple d'un mode de réalisation où la série de couches se réduit pour ainsi dire, à une seule paire de couches de fils métalliques telles que les couches 10 et 12 du mode de réalisation représenté sur la figure 1. Toutefois, on peut aussi ici appliquer l'idée fondamentale consistant à assurer des charges uniformes dans les deux couches 10 et 12 par l'effet de compensation des variations de longueur si la différence des angles d'enroulement a1 et a2 des couches 10 et 12, respectivement, est choisie de manière à être comprise entre 2 et 80 tandis que la valeur moyenne des angles d'enroulement diffère d'au moins 10 minutes par rapport à la valeur classique de 350161 .En d'autres termes 350161 + # a1 al + 350161-Q2 2 20 = a - a2 =1 80 et a1 7 a2 D'une façon générale, les tuyaux souples en caoutchouc et à double couche réalisés conformément à la présente invention présentent une différence d'angle d'enroulement se situant entre 2 et 80. Suivant que les tuyaux souples en caoutchouc sont du type à raccourcissement ou de type à- allonge- ment, la valeur moyenne des deux angles sera supérieure ou inférieure de 10' à la valeur classique de 350161. On peut en outre diminuer les déforma- tions survenant au cours de l'utilisation des tuyaux souples en caoutchouc à résistance mécanique élevée. On a constaté que des déformations ont lieu à des pressions relativement faibles. On a, en conséquence, suggéré que les tuyaux en caoutchouc soient au cours de leur fabrication, mis sous pression interne avant de durcir, gracie à quoi leurs couches se trouvent formées en fonction de la variation de longueur antérieure au durcissement et, de ce fait sont maintenues à une position telle, lorsqu'elles ont durci, que les déformations en cours d'utilisation se trouvent réduites à des valeurs pratiquement négligeables, On a montré que l'on peut obtenir des resserrements similaires des couches avec des tuyaux souples en caoutchouc tant du type à raccourcissement que du type à allongemment D'une façon général, il est préférable d'utiliser les tuyaux souples en caoutchouc du type à raccourcissement étant donné que leur comportement et leurs propriétés de flexion se révèlent être plus avantageux, toutefois, si les efforts appliqués aux tuyaux souples en caoutchouc comprennent des charges a- xiales et des couples élevés, il est préférable d'utiliser des tuyaux souples en caoutchouc du type à allongement, REVENDICATIONS 1. Tuyau souple en caoutchouc renforcé par des fibres et à résistance mécanique élevée, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs couches de fils métalliques destinées à supporter la charge, et incorporées audit tuyau , chaque couche de fils métalliques étant formée par un grand nombre de fils métalliques individuels flexibles et disposés en spires hélicoSdales autour de l'axe du tuyau, les couches de fils métalliques extérieures extrêmes présentant , par rapport à l'axe des tuyaux, des angles dont la différence atteint 6 à 800 et les angles de trois couches de fils métalliques con tigrés satisfaisant l'équation suivante Dj-1tg &alpha; j-1 + Dj+1tg &alpha; j+1 = 2 Djtg &alpha;j où Då 1 , Dj , et Dåfl sont les diamètres des trois couches de fils métalliques contiguës, respectivement, aj 1 X &alpha;j et a j+l sont les angles des couches respectives de fils métalliques par rapport à l'axe du tuyau , et j est le numéro d'ordre de toute couche intermédiaire de fils métalliques. 2. Tuyau souple en caoutchouc suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'une des couches de fils métalliques est un ressort en acier enroulé en hélice. 34 Tuyau souple en caoutchouc suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins deux couches contiguës de fils métalliques sont enroulées en hélice dans la même direction, c'est-à-dire suivant un pas de mdme sens. 4. Tuyau souple en caoutchouc renforcé pas des fibres et à résistance mécanique élevée, caractérisé par le fait qu'il comprend deux couches de fils métalliques destinées à supporter la charge et incorporées audit tuyau, chaque couche de fils métalliques étant formée par un grand nombre de fils métalliques individuels flexibles et disposés en hélice autour de l'axe du tuyau, les deux couches de fils métalliques faisant, par rapport à l'axe du tuyau, des angles dont la dif férence se situe entre 2 et 80, la valeur moyenne des deux va leurs moyennes des deux angles étant différente d'au moins 107 à la valeur de 350, 16'. 5 Tuyau souple en caoutchouc suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les angles d'enroulement de toutes les couches de fils métalliques satisfont à l'équation suivante : sin &alpha;1 + sin&alpha;2 + ~.. + sin &alpha;n = n - ######## où &alpha;1, &alpha;2),....,&alpha;n désignent les angles d'enroulement n désigne le nombre de couches de renforcement; t désigne l'entraxe (exprimé en centimètres) des fils métalliques dans une paire de spi res contiguës dans une couche renforcée par des fibres; T désigne la somme (exprimée. en kilogrammes) des forces extérieures axiales chargeant les cou ches individuelles ; P désigne les forces (exprimées en kilogrammes) apparaissant dans les couches de fils métal liques ; D désigne le diamètre moyen exprimé en centi mètres des couches de fils métalliques.