Brevet FR2388634A1 — publié le 19781124

L'invention concerne les soudures reliant des éléments tubulaires de structures. Un domaine d'application important de l'invention est la fabrication des plates-formes utilisées pour le forage en mer de puits de pétrole ou de gaz ou l'exploitation de ces puits. Les plates-formes de forage et d'exploitation en mer permettent de répondre pour une part importante aux besoins en énergie du monde entier. Des structures à section tubulaire sont utilisées à des profondeurs toujours croissantes et dans des milieux marins hostiles, ces structures subissant des charges toujours plus grandes, étant de conceptions de plus en plus complexes et exigeant des critères de sécurité toujours plus rigou- reux. Les critères exigés pour l'utilisation de ces structures peuvent être très sévères. Par exemple, des structures sont à présent conçues ou construites pour être utilisées dans des eaux de 270 mètres ou plus de profondeur.Bien que de telles platesformes restent dans de nombreux cas le moyen le plus pratique pour l'extraction d'hydrocarbures à de telles profondeurs, ces dernières et le milieu turbulent tendent ensemble à faire avancer la technologie de la construction des plates-formes vers le niveau maximal atteint dans les domaines de la métallurgie, de la fabrication, des possibilités et des conceptions. Ces structures en acier destinées à des utilisations en mer comprennent essentiellement un assemblage de tubes disposés de manière à former un châssis destiné à supporter des équipements et des appareillages en toute sécurité au-dessus de la surface de la mer. Les tubes sont normalement reliés les uns aux autres par soudage. Les détériorations, bien que très rares, se produisent toujours théoriquement à l'emplacement des soudures ou à proximité des soudures. Un procédé pour éliminer le risque de détérioration de la structure à l'emplacement des soudures ou à proximité des soudures consiste à accroitre l'épaisseur de la paroi des tubes utilisés. De plus, on utilise également des éléments de plates-formes de plus grandes dimensions. Cependant, un inconvénient de ce procédé est que l'augmentation de poids ou de dimension d'un élément entraîne celle d'autres éléments pour qu'ils puissent supporter le premier élément cité, ainsi que les forces ou charges accrues exercées par le milieu sur ces éléments agrandis. Une conception convenable, utilisant un minimum d'éléments structuraux de sécurité, nécessite une analyse détaillée des contraintes de chaque soudure par un calculateur, ce qui se traduit par un accroissement important des travaux et des coûts d'ingéniérie et de conception. Même dans ce cas, une telle analyse détaillée est nécessaire pour abaisser le poids et le volume de chaque élément et pour atténuer ainsi leur effet multiplicateur sur l'accroissement du poids de la structure. I1 existe un besoin important en soudures tubulaires renforcées. La possibilité d'utiliser des éléments soudés de poids réduit permet non seulement des économies sur les soudures, mais également sur l'ensemble de la structure en raison de la diminution de la masse devant être supportée. L'invention apporte un perfectionnement important à ce domaine et permet d'obtenir des économies très sensibles de poids et de coût sur des plate-formes maritimes et autres structures par l'application aux soudures critiques d'une contrainte de compression qui accroit sensiblement leur résistance à la traction en redistribuant l'effort exercé. L'invention a donc pour objet le renforcement d'une soudure reliant l'extrémité d'un premier élément structurel allongé à un second élément structurel, par l'application sur la soudure d'une charge de compression suffisante pour placer ladite soudure sous une contrainte de compression. L'invention concerne en particulier le renforcement des soudures entre éléments tubulaires de plates-formes maritimes dans lesquelles les soudures sont soumises à des efforts périodiques de traction, par l'application d'une contrainte de compression sur lesdites soudures. L'invention concerne donc un procédé et un appareil destinés à renforcer une soudure reliant l'extrémité d'un premier élément structurel allongé à un second élément structurel, au moins une partie de cette soudure étant soumise à des cycles répétés de traction . Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent d'appliquer sur la soudure une charge de compression suffisante pour placer cette soudure sous une contrainte de compression. Selon l'invention, une soudure (qui relie un premier élément structurel tubulaire d'une plate-forme maritime à un second élément structurel tubulaire de la même plate-forme et qui est soumise à des cycles répétés de traction par des forces exercées sur la structure par le milieu ambiant) est placée sous une charge de compression par un dispositif de traction, de manière que sa solidité et sa résistance à la fatigue soient augmentées. Dans une forme particulière de réalisation, le dispositif de traction exerce une compression suffisante pour dépasser tout effort de traction pouvant être appliqué par le milieu ambiant de la structure sur la soudure. Par conséquent, celle-ci n'est soumise qu'à des variations de la contrainte de compression. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une plate-forme maritime dont les éléments sont assemblés par des soudures la figure 2 est une coupe longitudinale partielle de deux soudures reliant un élément horizontal à deux éléments verticaux et maintenues sous une contrainte de compression par un dispositif de traction ; et la figure 3 est une coupe longitudinale partielle d'une forme de réalisation dans laquelle une soudure relie un élément horizontal à un élément vertical et est maintenue sous une contrainte de compression par un dispositif de traction. La figure 1 représente en coupe longitudinale et schématiquement une plate-forme maritime comprenant des éléments tubulaires reliés les uns aux autres par des soudures. La plate-forme 1 repose sur le fond 7 de la mer auquel elle est fixée par des pilotis 9. La plus grande- partie de cette plate-forme est immergée et se trouve donc au-dessous du niveau 8 de l'eau. Elle est constituée de divers éléments comprenant un pont 2, des jambes 5,-des entretoises horizontales 3 et des entretoises obliques 4 qui sont assemblés par des soudures dont l'une est représentée à titre d'exemple en 6. La figure 2 est une élévation, avec coupe partielles montrant un dispositif 10 de traction selon l'invention appliquant une contrainte de compression aux soudures 6 qui relient des éléments verticaux 5 à une entretoise horizontale 3. Le dispositif 10 de traction comprend un boulon qui passe dans un trou réalisé dans l'élément vertical 5, qui comporte une tête llà une première extrémité et qui porte un écrou 12 à son autre extrémité, cette dernière passant dans un trou de l'autre élément vertical 5. Le boulon permet l'application d'une contrainte de compression sur les soudures 6 par serrage de lXé- crou 12 sur le tronçon fileté 13 de ladite autre extrémité de ce boulon. La figure 3 représente en coupe une autre forme de réalisation du dispositif selon l'inventions Un élément horizontal 3 d'entretoisement est relié à un élément tubulaire vertical 5 par une soudure 6. Un trou l réalisé dans ltélément 5, permet le passage d'un boulon 23 qui comporte une tête 17 portant contre la paroi de l'élément 5 par l'intermédiaire d'une plaque 18 de retenue. Un-anneau 22 de retenue est fixé à l'intérieur de l'élément tubulaire 3 par une soudure 20 et constitue une butée pour le dispositif de traction destiné à exercer une compression sur la soudure par serrage d'un écrou 16 sur un filetage 15, l'écrou étant serré contre une rondelle élastique 14 et une plaque 21 de retenue. Lors de la fabrication de structures maritimes et autres, des joints sont normalement réalisés dans des tubes et assemblés par soudage. Selon llinventionss une contrainte de compression est appliquée à la soudure par la mise en oeuvre d'un dispositif de traction tel que celui représenté sur les figures. Des éléments convenables de retenue peuvent être disposés à l'intérieur des entretoises comme représenté sur la figure 3. Des rondelles élastiques et d'autres dispositifs de traction peuvent également être mis en oeuvre dans les cas appropriés. La traction peut être appliquée par un dispositif mécanique ou par un dispositif hydraulique. L'espace entourant le dispositif de traction peut être rempli d'une matière protectrice empêchant toute détérioration par l'eau de mer. Une telle matière protectrice peut être du béton, un gaz inerte tel que l'azote, l'hélium ou au treks, ou bien des polymères organiques d'enrobage des huiles, des paraffines, des bitumes, etc. Dans une autre forme de réalisation selon l'invention, un élément tendeur tel qu'un ruban ou un cible en polymère organique ayant été orienté par étirage peut être fixé aux éléments, en des emplacements convenables, et, après installation, peut être tendu par élimination d'une certaine partie de l'orientation sous l'effet de la chaleur, par exemple par circulation d'un fluide chaud en contact avec le polymère. Des polymères organiques convenables comprennent des polyéthylènes, "Nylon", etc. L'exemple suivant, indiqué à titre nullement limitatif, décrit une solution apportée à un problème et le développement de l'équation utilisée. Lorsque l'on considère un joint précontraint, une partie de la charge totale est supportée par l'élément de traction et une autre partie de cette charge est supportée par l'élément d'entretoisement. En trouvant la partie de la charge supportée par chaque élément, il est avantageux de déterminer la raideur "K" de chaque élément. Cette raideur est une mesure de la force nécessaire pour obtenir une déformation unitaire. L'équation de la déformation axiale est : J = PL/AE où S est la déformation P est la charge L est la longueur mesurée dans la direction de la force A est la surface E est le module d'élasticité. Lorsque 8 est égal à 1 et P est égal à K, la raideur de l'élément de traction devient ATET K T = LT et celle de l'entretoise devient ABEB Ka lu où T se rapporte à l'élément de traction et B se rapporte à 1 'élément d'entretoisement. Soit P T la partie de la charge supportée par l'élé- ment de traction et PB la partie de la charge supportée par l'entretoise. En raison du montage, on suppose les déformations égales et on peut écrire l'équation suivante P B K KT KB en considérant P - PT = PB, on a K T - K + KT P et Pg KB + KT +KT P où P T est la charge supportée par l'élément de traction et PB est la charge supportée par l'élément d'entretoisement. Si l'élément de traction est soumis à une précontrainte de traction d'une amplitude égale à PO, la traction totale est KT PT = # KT + KB # P + Po La charge résultante exercée sur l'élément d'entretoisement est : KB PB = KB + KT P - Po Exemple On suppose que l'élément d'entretoisement et l'élé- ment de traction ne présentent aucune autre déformation que celles se produisant dans la direction de la charge. On suppose qu'une entretoise de 35 cm de diamètre extérieur et de 9,5 mm d'épaisseur de paroi est soumise à une charge normale irrégulière de - 140.105 Pa. L'aire de la section de cette entretoise est de 103,5 cm2 et, par conséquent, la charge totale exercée sur l'entretoise d'une manière irrégulière est de : 103,5 x 140 = - 145,7 T. Si l'on utilise un élément de traction ayant un diamètre utile de 70 mm (c'est-à-dire une aire en section de 38,5 cm2), soumis à une précontrainte de 158,9 T, les efforts sui vants sont obtenus dans l'entretoise et dans l'élément de traction > | P + Po = 103,5 + 38,5] (# 145,7 T) + 158,9 T PT - - 39,317 + 158,900 = + 198,217 T = + 119,583 T Ceci permet d'obtenir une valeur maximale de contrainte de + 515,4.10 Pa et une valeur minimale de contrainte de + 310,92.106 Pa. Ceci est obtenu sur une charge alternée de 413,15.106 + 102,23.106 Pa. De même pour l'entretoise PB = KB / KB + KT # P - Po = # 103,5 # (+ 145,7) - 158,9 103,5 + 38,5 PB = + 106,4 - 158,9 T = - 265,3 - 52,48 T Ces valeurs divisées par l'aire de l'entretoise (103,5 cm2) permettent d'obtenir - 254,88.106 Pa - 50,41.106 Pa La charge résultante exercée dans l'entretoise est de - 152,65.106 + 102,23.106 Pa. Cet exemple montre comment l'effort moyen et la plage des efforts peuvent être modifiés par l'application d'une précontrainte sur le joint. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour accroître la résistance d'une soudure reliant l'extrémité d'un premier élément structurel allongé à un second élément structurel, au moins une partie de la soudure étant soumise à des efforts périodiques de traction, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à la soudure une charge de compression suffisante pour placer cette soudure sous une contrainte de compression. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second éléments structuraux sont des éléments tubulaires et en ce que la charge de compression appliquée est suffisante pour que la soudure soit placée sous une contrainte de compression dépassant tout effort de traction pouvant être appliqué à la soudure par le milieu dans lequel se trouve la structure dont les éléments font partie. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément structurel allongé est soudé sensiblement à angle droit au second élément structurel. 4 - Procédé selon la revendication 2 > caractérisé en ce que la structure est une plate-forme marine. 5 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure est une plate-forme marine et en ce que la charge de compression est exercée par fixation d'un élément de traction au second élément structurel, à proximité de la soudure, et en un point de la longueur du premier élément structurel, ledit élément de traction étant ensuite mis sous traction. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de traction est un boulon qui passe dans un trou du second élément structurel tubulaire et qui est centré dans la soudure circulaire reliant l'extrémité du premier élément structurel tubulaire au second, le boulon passant également dans un trou d'un anneau de retenue fixé à l'intérieur du premier élément structurel, en un point de sa longueur. 7 - Dispositif destiné à appliquer une charge de compression sur une soudure reliant l'extrémité d'un premier élément structurel allongé à un second élément structurel, au moins une partie de la soudure étant soumise à des efforts périodiques de traction, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il exerce sur la soudure une charge de compression suffisante pour placer ladite soudure sous une contrainte de compression. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier élément structurel est un élément tubulaire qui est soudé à peu près à angle droit au second élément structurel qui est également tubulaire, la structure étant une plateforme marine. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un élément de traction est fixé au second élément structurel, à proximité de la soudure, et au premier élément structurel, en un point de sa longueur. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément de traction est un boulon'qui passe dans un trou du second élément structurel tubulaire et qui est centré dans la soudure circulaire reliant l'extrémité du premier élémen-t structurel au second, le boulon passant également dans un trou d'un anneau de retenue fixé à l'intérieur du premier élément structurel, en un point de sa longueur.