Brevet FR2404792A1 — publié le 19790427

La présente invention a trait à un tuyau en caoutchouc comprenant une garniture intérieure ou âme (les deux termes étant utilisés indifféremment dans le présent texte) constitué par un système hélicoïdal de résine synthétique armée à l'aide de fibres et par un système de garniture intérieure ou âme tissée circulaire ou développée en hélice, tuyau quE est capable de résister à l'effet combiné de forces de contrainte agissant simultanément due à la pression interne et/ou externe ou au vide et à des charges axiales de traction et/ou de torsion. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un tel tuyau. On connaît des tuyaux en caoutchouc de type particulier fabriqués selon une technologie classique et capables de résister à l'effet de pressions internes ou de vide et de faibles pressions externes--et/ou de contraintes de traction. De tels tuyaux en caoutchouc sont constitués par un système hélico#dal de renfort interne enroulé selon un faible pas et par au moins un, mais habituellement plusieurs systèmes de garniture interne ou âme placé au-dessus ou au-dessous du système hélicoïdal ; la garniture intérieure est constituée d'un textile, d'un cordon, d'un filament métallique ou d'un câble, dimensionné pour procurer la rigidité voulue afin de résister à la pression interne appliquée. Le matériau de l'hélice de renforcement est toujours un métal, c'est-à-dire un fil d'acier de section circulaire ou rectangulaire, et il joue un rôle important lorsqu'un vide ou une pression externe est appliquée. Les progrès du développement technique allant en s'ac célébrant, il existe un besoin croissant de tuyaux capables de supporter des charges de contrainte combinées très importantes, telles qu t une pression externe élevée, une charge de traction, un couple et un vide qui, dans de nombreux cas, s'exercent simultanément. De tels tuyaux sont nécessaires, par exemple, pour les forages sous-marins, ainsi que pour des canalisations d'alimentation, des conduits sous-marins flexibles ou des câbles flexibles de tiges de forage et pour des systèmes de canalisations flexibles pour des marteaux d'enfoncement de pieux. Les tuyaux décrits ci-dessus comportant des âmes internes de renfort enroulées hélicoSdalement ne conviennent pas pour supporter des charges de contrainte très importantes, du fait que l'enroulement selon un angle de pas faible du fil d'acier formant le système de renfort est très difficile lorsqu'on dépasse une certaine limite de la section du fiLLe bobinage d'un fil de métal de grande section, qui serait nécessaire pour supporter les charges de contrainte appliquées en utilisation, ne peut pas être obtenu. Ceci fixe une limite supérieure à la capacité de résistance à la charge et à la contrainte et également au diamètre du tuyau souple.Un autre inconvénient du fil d'acier hélico#dal est que l'acier possède une limite de déformation élastique faible, en résultat de quoi de petites déforma- tions circonférentielles peuvent provoquer des déformations permanentes de la forme du tuyau. Le brevet français NO 1 423 059 décrit une réalisation de tuyau et sa fabrication, qui est dit pouvoir supporter des charges de contrainte élevées. Cette réalisation est, cependant, entièrement différente de la conception classique et du procédé traditionnel de fabrication de tuyaux. Un tel tuyau souple comporte une ou plusieurs garnitures intérieures ou âmes de renfort en fil d'acier possédant des sections transversales de forme particulière. Ces âmes ou garnitures intérieures consistent en fils profilés en S ou en Z, reliés entre eux. La flexibilité du tuyau est obtenue par le déplacement l'un dans l'autre des éléments métalliques profilés interconnectés et par la prévision d'une c-ouche d'élabtomère ou de matière plastique interposée entre les surfaces extérieures des éléments profilés.Les inconvénients de cette réalisation sont le poids élevé de la ou des garnitures intérieures ou du ou des revêtements et, en outre, les pièces réalisées en métal et matériaux élastiques ne sont pas liés ensemble et ainsi sous l'action d'une contrainte, ne se comportent pas comme un système homogène uniforme. En résultat, le tuyau devient rigide sous l'action d'une pression interne et des surfaces de séparation se développent en utilisation ou même au cours de la fabrication du tuyau lui-m8me ; les éléments profilés sont déplacés, ils pincent et effritent la couche élastomère noyée entre eux, ou lorsque le tuyau est tordu, les fils profit lés articulés sont découverts.Les endroits du tuyau où ces effets indésirables se manifestent deviennent de plus en plus exposés aux effets de la corrosion, de l'usure et du déchirement et à d'autres effets réduisant la durée de service et peuvent provoquer une panne dans l'utilisation pratique du tuyau. Une séparation complète de la liaison des fils profilés peut provoquer l'éclatement du tuyau. Il est également connu qu'un renforcement à l'aide de fibres de verre peut avantageusement être utilisé pour la réalisation de tuyaux, en particulier lorsque le tuyau doit résister à des forces de contrainte de traction et de flexion. En pratique, plusieurs essais ont été faits pour utiliser un renforcement en verre feuilleté dans des tuyaux. De telles réalisations ne peuvent, cependant, être utilisées que dans le cas de faibles charges de contrainte, principalement dans le cas de tuyaux en matière plastique. De telles réalisations sont décri es par exemple dans le brevet anglais NO 1 197 595O La caractéristique de cette réalisation est qu' elle contient des bandes extrudées, des corps creux et un renfort en fibres de verre placé à l'intérieur de la cavité des corps creux en tant qu'éléments structuraux du tuyau. Le façonnage final du produit est effectué immédiatement après extrusion, par pressage à chaud, facultativement combiné à un chauffage supplémentaire, pour obtenir une fusion Les fibres de verre sont sous la forme de câbles non torsadés parallèles, rendant ainsi rigide l'âme du tuyau souple. Lorsqu'une âme hélicoidale de grande section est pliée, alors du fait de la différence de longueur des filaments des précontraintes variables et des "rides11 sont engendrées dans les fibres. Par la demande de brevet allemand publiée NO 2 513 8319 il est connu de réaliser un tuyau capable de supporter des pressions internes et/ou externes, qui possède une âme constituée d'un système d'anneaux de renforcement formés par des fibres de verre et de résine parallèles entre elles, tassées de façon dense.Selon cette invention antérieure, l'utilisation d' ne hélice consistant en un système de fibres de serre et de résine est considéré comme #sitivement défavorable0 Cependant, la réalisation décrite dans cette publics tison antérieure, 'est-à-dire la fabrication des éléments struc- turaux du système de fibres de verre et de résine et leur montage sur le tuyau rend la technologie de fabrication du tuyau incommode et compliquée et la fabrication elle-m8me ne peut pas être effectuée par les procédés et équipements classiques de fabrication de tuyaux. fl faut considérer comme un autre inconvénient de cette conception qu'un tel tuyau ne convient pas pour résister à différentes charges complexes importantes, par exemple à des pressions externes et internes agissant simultanément, et à des contraintes de traction et de torsion. Comme autre inconvénient, il faut considérer le fait que les anneaux consistent en un système de fibres de verre et de résine tassées de façon dense, disposées c8te-à-c8te, et du fait de la conception du tuyau de type radial, le tuyau devient trop rigide, c'est-à-dire est difficile à plier. Le procédé selon l'invention consiste en une nouvelle combinaison d'opérations technologiques en soi connues, qui ne nécessite ni un écart quelconque par rapport au procédé de fabrication classique de l'industrie du caoutchouc, ni de nouvelles installations conteuses et qui conduit à la fabrication d'un nouveau produit qui élimine ou réduit les inconvénients provenant des exigences imposées par le présent état de la technique et satisfait aux demandes courantes-. Conformemeat à l'invention, ce procédé repose sur la découverte tue la combinaison dans un système homogène intégré de l'âme hélicoidale de consolidation et/ç > u de renforcement constituée d'un système de résine synthétique armée à l'aide de fibres et des ames habituelles de consolidation de tuyaux souples ou de renforcement respectivement, rend possible de fabriquer un tuyau capable de supporter des charges de contrainte extraordi maigrement importantes qui satisfait toutes les exigences, même d'applications particulières et qui peut être fabriqué en combitant les différentes phases du procédé de -f#bricati cn habituel Le l'industrie du caoutchouc. e c utilisa#t e rzcécÙé il est possible de réaliser une âme hélicoïdale de section teansversale importante du fait que-lorsque l'hélice est réalisée, la résine est encore molle et le bobinage de l'hélice ne nécessite pas une force de flexion importante comme il serait nécessaire lorsqu'on utilise un fil d'acier profilé de section identique. Le terme 11tuyau" tel qu'utilisé dans le présent mémoire et dans les revendications, n'est pas limité à un produit accomplissant les fonctions habituelles (transport) d'un tuyau mzis couvre toute conception et éléments structuraux utilisés dans d'autres domaines de l'industrie où leur fonction est de supporter les contraintes de charge importantes mentionnées et où sa conception et sa constriction rend son application possi ble. De tels éléments structuraux appropriés pour supporter des contraintes de traction et de torsion et/ou des pressions ne sont pas nécessaires uniaxiaux, concentriques ou cylindriques, mais peuvent avoir différentes courbures dans différentes directi ons. La caractéristique du tuyau selon l'invention est qu' en plus de son âme en soi connue, procurant une résistance à la pression interne, il est muni d'une ou de plusieurs garnitures intérieures de consolidation et/ou de renfort en résine synthétique armée à l'aide de fibres, revetues totalement ou partiellement de caoutchouc qui, conåointement avec une couche élastomère adjacente, forment un système homogène intégré solidarisé réticulé qui se comporte comme un système unitaire. Dans un mode de réalisation préféré de Igioventioa, une fibre de verre torsadée hélicoidalement est utilisée dans la résine synthétique armée à l'aide de fibres, mais des fibres d' au cier, de carbone, de bore et de substances organiques telles qu'un aramide, un imide ou un amide, peuvent également être utilisées avantageusement. Si on le désire, l'hélice en résine armee à l'aide de fibres peut comprendre une fibre électriquement con ductrice, par exemple un filament de métal flexible. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le tuyau souple est muni d'une couche intermédiaire qui détermine la flexibilité et les modules de flexion et de torsion du tuyau ; cette couche est interposée entre les âmes qui sont espacées selon des intervalles angulaires d'au moins 300. Dans le système de résine et de fibres de renforcement, la résine utilisée est de préférence une résine époxy ou une résine phénolique. Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, la ou les hélices de résine syntheticue armée à ltaide de fibres est enroulée de telle sorte que le pas, ou distance entre deux spires adjacentes, soit au plus un dixième du diamètre de l'âme ou, dans le cas où une couche d'écartement est utilisée, cette valeur est augmentée de la largeur d'une telle couche. Selon l'invention, le procédé de fabrication est ca ractérise en ce que la résine synthétique armée à l'aide de fibres, qui peut être préchauffée, est au moins partiellement, enrobée de caoutchouc après extrusion, laissée à température ambiante pendant un temps de relaxation déterminé par les autres opérations technologiques de la fabrication et ensuite :: (a) - la résine synthétique renforcée à l'aide de fibres est réalisée en une hélice pour une utilisation en tant qu'une ou plusieurs âmes avant achèvement de la réticulation, et ensuite le tuyau est réalisé d'une manière connue, ou (b) - le tuyau souple est réalisé totalement ou partiellement d'une manière connue et la résine synthétique armée à l'aide de fibres, revêtue de caoutchouc, est enroulée en hélice pour constituer un renfort simple ou multiple, avant achèvement de la réticulation, et, finalement, en vulcanisant le tuyau souple en une ou deux étapes, la réticulation est achevée. Le choix entre les procédés a) et b) dépendra du nombre d'âmes que doit comporter une ou des hélices en résine synthétique armée à l'aide de fibres. L'invention est décrite, purement à titre d'exemple, en se référant aux modes de réalisation préférés, représentés sur les dessins annexés. Pour simplifier la description, on se réfère, au lieu de le faire à une résine synthétique armee à l'aide de fibres, concrètement à un système de fibres de verre et de résine utilisé en tant qu'hélice interne, mais l'inventior n'est pas limitée à ce mode de réalisation préféré qui est décrit purement à titre d'exemple. Ainsi, d'autres types de fibres de renforcement, précitées, peuvent égalent etre utilisées à la place de fibres de verre et l'hélice de résine synthétique renforcée à l'aide de fibres peut également être utilisée extérieurement ou entre les âmes de renforcement en soi connues. - La figure 7 représente une coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un tuyau selon l'invention. - Les figures 2 et 3 représentent en coupe longitudinale deux autres modes de réalisation d'un tuyau selon l'in Invention - Les figures 4 et 5 représentent une coupe d'une âme ou garniture intérieure hélicoïdale consistant en un système de résine et de fibres de verre. - La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un tuyau selom l'invention, en coupe longitudinale-. La figure 7 est une coupe du tuyau de la figure 6, avec l'hélice consistant en un système de résine et de fibres de verre. - La figure 8 représente la même coupe de l'hélice mais avec un filament métallique électriquement conducteur noyé à 1 'intérieur0- En se référant aux figures, le tuyau représenté à la figure I possède une couche de caoutchouc interne 1 qui est réticulée avec un revêtement de caoutchouc 2 d'une âme hélicoïdale 3 réalisée en un système de résine et de fibres de verre, Le tuyau est équipé de garnitures intérieures de renfort 7 et 8 et d'un renfort en tissu 5.Le tuyau est protégé contre des effets mécaniques et chimiques par une plaque de couverture 10 munie d'un renfort de tissu 9. Une couche intermédiaire 6 est située entre le renfort de tissu 5 et les ames de renfort 7 et 8, audessous de celle-ciO le tuyau représenté à la figure 2-diffère de celui re- présenté à la figure 1 en ce qu'il n'a pas de couche de caoutchouc interne 1, sa couche la plus interne étant constituée par le revêtement de caoutchouc 2 de l' & e hélicoïdale consistant en un système de résine et de fibres de verre, tourné vers l'inté- rieur du tuyaux -La figure e 3 illustre la structure dQun tuay préféré selon l'invention où :L l'âme 3 consistant en un systeme de r'Ssine et de fibres ds terre est seulement partiellement il-unie d'un ra vêtement de caoutchouc 2. La coupe de l:ime 3 consistant en un système de résine et de fibres de verre et illustrée à la figure 3 est représentée sur la figure 4. La figure 5 représente une hélice 3 avec un filament métallique électriquement conducteur incorporé 3a. L'aptitude à l'étanchéité (ou l'imperméabilité) du tuyau illustré à la figure 6 est assurée par la couche de caoutchouc interne a qui est choisie de sorte qu'en vertu de ses propriétés chimiques et physiques, elle satisfera aux exigences concernant le liquide à transporter par le tuyau. La couche de caoutchouc interne 1 forme une unité réticulée de façon inséparable avec le revêtement de caoutchouc 2 développé hélicoSdale- ment, commortant l'ame enrobée 3 consistant en un système de résine et de fibres de verre. L'hélice de l'aine de renforcement 3 réalisée en un système de résine et de fibres de verre possède un ou plusieurs départs de I ou 3 spires et une couche intermédiaire 4 est interposée entre les spires de l'hélice.En utilisant cette couche, la distance t entre deux spires adjacentes de l'âme 3 consistant en un système de résine et de fibres de verre peut Qtre choisie à volonté ; les distances- a et b comme représenté illustrent les dimensions de l'aine dans deux directions orthogonales. La pression interne régnant dans le tuyau est transférée partiellement à l'amie 3 et partieilement, par l'intermédiaire de l'espace t, aux garnitures intérieures de renfort 7 et 8. L'égalisation des forces agissantes est accomplie par le renforcement en tissu 5 qui transfère les forces de compression directement, ou par l'intermédiaire d'une couche tampon 6, aux garnitures intérieures de renfort 7 et 8. Le tuyau est protégé contre des effets mécaniques et chimiques par une plaque de couverture 10 munie d'un renfort de tissu 9; La figure 8 représente une âme e hélicoedale consistant en un système de résine et de fibres de verre et munie d'un filament de métal électriquement conducteur 3a, de façon à rendre le tuyau apte à conduire l'électricité, en assurant une connexion métallique entre des tuyaux souples adjacents, y compris des raccords, Lorsque-le tuyau est soumis à des forces de traction et/ou de torsion, une charge de contrainte répartie dirigée radialement vers l'intérieur est transmise des garnitures intérieures de renfort 7 et 8, par 1' ntermédiaire de la couche tampon 6 et à travers la couche supérieure du revêtement de caoutchouc 2, à l'âme en hélice 3 constituée d'un système de résine et de fibres de verre. Dans un cas limite, cette charge de contrainte peut conduire à l'affaissement ou à l'éclatement du tuyau de deux façons : soit par inclinaison dans un plan tangentiel à l'hélice soit par flexion spatiale. Des expériences ont prouvé qu'une flexion spatiale se produit à des charges de- contrainte plus faibles et l'aptitude à supporter la charge du tuyau souple est améliorée Si le rapport b/a (figure 6) est choisi de telle sorte que la probabilité de la formation d'une inclinaison planaire et d'une courbure spatiale soient au moins égale. Dans ce cas : b = 1,4 a. En maintenant la résistance à la traction du tuyau souple à un niveau souhaitable les propriétés d'amortissement de vibrations avantageuses-du tuyau souple permettent à ce rapport d'être augmente sans risque d'affaissement du tuyau. Le module d'élasticité exprimant la résistance à la traction du tuyau dépendra seulement du module d'élasticité des garnitures intérieures de renfort 7 et 8 et du module d'élasticité de l'âme 3 consistant en un système de résine et de fibres de verre, si les deux garnirures intérieures sont placées directement l'une au-dessus de l'autre. La couche tampon interposée 6 procure la possibilité de contrôler ou de choisir l'élasticité souhaitable. La résistance à la traction peut encore être rédui- te, en plus, par lteffet de la couche tampon 6, en augmentant le rapport t/b. Parmi les caractéristiques hydrauliques du tuyau l'amortissement dynamique des vibrations en est une très importante. La couche tampon 6 qui est interposée entre les systèmes de consolidation et de renfort du tuyau souple et la couche d'écartement 4 disposée dans l'intervalle t, peut absorber et emmagasiner des forces de déformation importantes, En d'autres termes, le tuyau souple peut avantageusement être utilisé dans des systèmes hydrauliques travaillant avec des chocs de pression impor tants s'exerçant de façon très irrégulière. Le changement de longueur du tuyau, provoqué par l'ef- fet d'une pression interne, dépend non seulement de la conception des angles des garnitures intérieures de renfort 7 et 8, m mais également des dimensions de l'âme 3 et de la couche d'écartement 4. Une augmentation de largeur b et une réduction de la dimension de l-'intervalle t se traduit par l'absorption d'une partie de la pression interne par l'aine 3 (consistant en un système de résine et de fibres de verre), conférant ainsi un effet d'étirage aux autres couches. Réciproquement, une variation de ces dimensions dans le sens opposé, peut se traduire par une tendance au raccourcissement des couches, étant donné les angles vifs des garnitures intérieures de renfort 7 et 8 du tuyau. Les effets dynamiques du tuyau tels que décrits cidessus, peuvent être appliqués selon une combinamson commode quelconque. En choisissant les dimensions a, b et t pour la structure de 1'=ame 3 consistant en un système de résine et de fibres de verre, un tuyau avec les meilleures caractéristiques pour s'adapter à un système mécanique donné quelconque peut être réalisé. Les réalisations selon les modes de réalisation préféré rés de l'invention ont en plus des avantages ci-dessus décrits, un autre avantage substantiel c'est-à-dire que le champ d'application est beaucoup plus étendu que celui des tuyaux connus, REVENDICÀ#I0NS 1) Tuyau en caoutchouc approprie pour résister à l'une quelconque ou à plusieurs des contraintes constituées par des pressions internes et/ou externes ou un vide, ou des charges de traction ou de torsion, comprenant : - une âme de consolidation et/ou de renfort appliquée hélicoSdalement réalisée en résine armée de fibres ; et - un système de garniture intérieure tissée circulairement ou appliquée hélicoSdalement caractérisé en ce que l'âme est recouverte en prtie ou en totalité par une couche de caoutchouc ou d'élastomère et est liée à celle-ci pour former un système unitaire coopérant par réticulation et liaison adhésive. 2) Buysuselon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres de verre. 3) Tuyau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres sont des torons de fibres de verre9, 4) Tuyau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont en acier, carbone, bore, aramide, imide ou amide. 5) Tuyau selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'âme contient un ou plusieurs conducteurs électriques qui y sont noyés, par exemple des filaments métalliques, 6) Tuyau selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'âme possède plusieurs éléments disposés en des intervalles angulaires d'au moins 300, et au moins une couche tampon est prévue entre lesdits éléments pour déterminer la flexibilité et les modules d'élasticité et de flexion du tuyau, 7) Tuyau selon une des revendications 7 à 6, caractérisé en ce que l'sme ou les éléments d'amie en résine synthétique armée de fibres sont disposés de telle manière que la distance entre deux spires adjacentes de celle-ci ou de ceux-ci ne dépasse pas un dixième du diamètre de l'amie ou, dans le cas où une couche d'écartement est utilisée, ladite distance est augmentée de la largeur de ladite couche d'écartemento 8) Tuyau selon l'une des revendications 1 à 7, carac tersé en ce que la résine synthétique est une résine épo2y. 9) Tuyau selon l'une des revendications 1 à 8, caraco térisé en ce que la résine synthétique est une résine phénolique. 10) Procédé de fabrication d'un tuyau selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la résine sgnthéti- que armée de fibres (facultativement préchauffée) est passée à travers une extrudeuse, est au moins partiellement recouverte par un revêtement de caoutchouc, laissée ensuite à température ambiante pendant un temps de relaxation déterminé par les autres phases de la fabrication du tuyau et qu'ensuite a) - la résine synthétique armée de fibres est appliquée en hélice pour former une âme unique ou un ensemble d'élé- ments d'ame, et avant achèvement de la réticulation, et ensuite le tuyau souple est réalisé d'une manière connue ; ou b) le tuyau est complètement ou partiellement réalisé d'une manière en soi connue et la résine synthétique armée de fibres revêtue de caoutchouc au moins partiellement est appls- quée hélico#dalement sous la forme d'une âme unique ou d'un ensemble d'éléments d'âme avant achèvement de la réticulation et enfin la réticulation est achevée par vulcanisation du tuyau souple en une ou deux étapes.