Brevet FR2474638A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne une conduite articulée, et notamment une conduite du type compor- tant des tronçons rigides reliés les uns aux autres par des articulations permettant un mouvement angulaire li- mité entre tronçons voisins, chaque articulation com- portant un dispositif de liaison flexible utilisant des éléments constitués par un empilement de couches alternées d'un matériau élastique et d'un matériau ri- gide, et un dispositif d'étanchéité assurant une sépa- ration étanche entre l'intérieur et l'extérieur de la conduite au niveau de l'articulation. Le domaine visé par la présente invention est plus particulièrement, mais non exclusivement,celui des conduites destinées à être immergées jusqu'à des pro- fondeurs relativement importantes (plusieurs centaines de mètres), par exemple des conduites de très grand diamètre (plusieurs mètres) utilisables pour prélever de.1'eau de mer froide pour des centrales thermiques utilisant la différence de température entre l'eau si- tuée à la surface de la mer et celle située à grande profondeur. Les conduites immergées de grande longueur doivent être articulées pour limiter les efforts en flexion résultant des courants marins. Les liaisons en- tre les tronçons de conduite doivent permettre un mou- vement angulaire relatif entre tronçons voisins tout en assurant la transmission entre tronçons des efforts longitudinaux et en préservant l'étanchéité au niveau des articulations. Pour atteindre ce but, il a été proposé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 068.868 de réaliser des joints flexibles pour colonne montante de système de forage sous-marin en utilisant des empile- ments de couches alternées d'élastomère et de métal dispcsées suivant des surfaces sphériques concentriques. Cette solution est pratiquement irréalisable lorsque-le diamètre de la conduite devient important, du fait que, pour un débattement angulaire maximal don- né, l'épaisseur de l'empilement est proportionnel au rayon moyen des couches sphériques. On pourrait alors envisager de construire les articulations au voisinage de l'axe de la conduite. Toutefois, ceci conduirait à la création d'obstacles importants tout au long de la conduites. -10 Aussi, la présente invention a pour but de fournir une conduite articulée du type indiqué en-tête de la description et pouvant avoir un grand diamètre, c'est-à-dire un diamètre supérieur à environ 1 -mètre, sans créer de problèmes de construction insurmontables et sans création d'obstacles à l'intérieur de la conduite. Ce but est atteint du-fait que, conformément à l'invention, chaque articulation comporte un dispo- sitif de liaison flexible à deux paliers cylindriques diamétralement opposés et offrant un degré de liberté autour d'un axe perpendiculaire à l'axe des tronçons. situés de part et d'autre de l'articulation, les axes de deux articulations successives ayant des- directions différentes l'une de l'autre, et les dispositifs de liaison flexible et d'étanchéité de chaque articula- tion sont disposés à l'extérieur d'un passage situé dans le prolongement des passages internes des deux tronçons reliés par cette articulation, de manière-â conserver tout au long de la conduite une section de passage libre au moins égale à celle de chaque tronçon. De préférence, les-axes des articulations si- tuées aux extrémités d'un même tronçon sont décalés de 0 Suivant une autre particularité de la condui- te conforme à l'invention, chaque palier cylindrique comporte un assemblage modulaire de blocs chacun cons- titué par un empilement de couches alternées d'un maté- riau élastique et d'un matériau rigide. Du fait que chaque articulation ne possède qu'un degré de liberté, le dispositif d'étanchéité as- socié peut être réalisé de façon relativement simple. Ainsi, suivant un premier mode particulier de réalisation de la conduite conforme à l'invention, cha- que articulation est munie d'un dispositif d'étanchéité à soufflets dont les mouvements d'ouverture et de fer- meture se font autour d'un axe pratiquement confondu avec celui de l'articulation. Suivant un autre mode particulier de réalisa- tion, le dispositif d'étanchéité est logé dans l'inter- valle entre la surface intérieure de l'extrémité évasée d'un premier tronçon et la surface extérieure de la partie d'extrémité adjacente du tronçon voisin entou- rée par ladite extrémité évasée. Le dispositif d'étan- chéité peut alors consister en une membrane souple an- nulaire dont les bords sont fixés sur les tronçons voisins ou comporter des segments ràcleurs annulaires appliqués avec pression contre la surface intérieure évasée du premier tronçon et portés par des supports reliés à l'autre tronçon par des pièces de liaison sollicitées élastiquement. On peut aussi avantageuse- ment utiliser un joint torique pouvant rouler sur des surfaces sphériques concentriques délimitant l'inter- valle entre les extrémités adjacentes de tronçons voisins. D'autres particularités et avantages de la conduite articulée conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite, ci-après, à titre indicatif mais non limitatif. On se référera aux dessins annexés sur lesquels: X 2474638 - - À - - la figure 1 est une vue en élévation par- tiellement en coupe axiale d'Fune partie d'une conduite conforme à l'invention,, - la figure 2 est une vue-en élévation d'une variante de réalisation d'un palier cylindrique d'une articulation de conduite conforme à.l'invention,- - la figure 3 est une vue de détail à échelle agrandie montrant une partie du dispositif d'étanchéité d'une articulation de la conduite illustrée par la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3, - les figures 5 à 7 sont trois vues en-éléva- tion et à demi en coupe montrant trois autres-modes de réalisation du dispositif d'êtanchéité-d'une articula- tion d'une conduite -conforme à l'invention, - - les figures 8 et 9 sont deux vues de détail montrant à échelle agrandie respectivement en coupe et en perspective une partie du dispositif d'étanchéité ' illustré par la figure 5, - - la figure 10 est une vue de détail montrant à échelle agrandie en coupe une partie du dispositif. d'étanchéité illustré par la figure 6, et, - les figures 11 et 12 sont deux vues de dé4 tail respectivement en coupe et en perspective montrant à échelle agrandie des parties du dispositif d'étan- chéité illustré par la figure 7. La conduite 10 représentée sur la figure 1 est formée de tronçons identiques 11, 11li",...1.. reliés bout à bout par des articulations 14. Chaque articulation est à un seul degré de liberté autour d'un axe perpendiculaire aux axes- des tronçons reliés - par cette articulation. Les axes des articulations si- tuées aux deux extrémités d'un même tronçon-sont déca- lés l'un par rapport à l'autre de 90 . Comme on peut le voir sur la figure 1, les extrémités adjacentes de deux tronçons voisins, par exemple 11, 11', sont coupées en biseaux suivant des dièdres dont les armtes, lla, 11'a, sont parallèles à l'axe d'articulation. Ainsi, de chaque côté du plan longitudinal médian P contenant l'axe d'articulation, les parties en regard des extrémités des tronçons 11, 11' sont dans des plans formant entre eux un angle a qui limite le débattement angulaire possible entre les tronçons. Les éléments constitutifs de chaque articula- tion sont situés à l'extérieur du passage 15 situé dans le prolongement des passages internes des tronçons re- liés par cette articulation. Ainsi, la conduite 10 pré- sente sur toute sa longueur une section de passage li- bre au moins égale à- celle de chaque tronçon. Les différentes articulations-14 ont des structures identiques. Chacune comporte deux paliers cylindriques 20 identiques, coaxiaux et diamétralement opposés et un dispositif d'étanchéité 30 séparant de façon étanche l'intérieur de la conduite de l'exté- rieur au niveau de l'articulation. Chaque palier 20 comporte des éléments de liaison flexibles 21, 22 situés de part et d'autre de l'axe d'articulation et formes, de manière connue en soi, par des empilements de couches alternées d'élas- tomère et de métal. Les couches des éléments 21, 22 sont dispo- sées suivant des surfaces cylindriques coaxiales, l'axe commun étant. celui de l'articulation. Chaque élément 21, 22 s'étend sur un secteur angulaire inférieur à 1800 et peut être de construction modulaire, c'est-â- dire formé de blocs semblables juxtaposés. Ainsi, com- me on peut le voir sur la figure 2, les éléments 21 et 22 sont formés chacun de deux pièces identiques 21a- 21b, 22a-22b alignées parallèlement à l'axe du palier. En outre, si lès dimensions du palier le ren- dent souhaitable, chacune de ces pièces peut être for- mée en plusieurs parties semblables occupant chacune une fraction du secteur annulaire total occupé par un élément 21, 22. L'élément flexible 21 est logé entre deux pièces 23, 24 auxquelles sont fixées les couches extrê- mes de l'élément. De la même manière, l'élément flexi- ble 22 est logé entre deux pièces 25, 26. La liaison des couches des éléments 21, 22 entre elles et avec les pièces entre lesquelles elles sont logées peut être réalisée par la vulcanisation in situ de l'élastomère. Les pièces 24, 26 présentent deux surfaces extérieures cylindriques qui sont appliquées sur deux zones diamétralement opposées d'un noyau cylindrique-27 dont l'axe est celui de l'articulation. La pièce 23 est portée par un support 28 fixé sur la surface extérieure d'un tronçon, par exemple i'. Le support 28 présente une partie en U avec deux branches 28a, 28b disposées de part et d'autre du plan P, orientées sensiblement parallèlement à l'axe de la conduite en direction du tronçon 1i et entre les- quelles se trouvent les éléments flexibles 21 et 22, la pièce 23 étant fixée au fond de cet U. Aux extrémités des branches 28a, 28b, sont reliées les parties d'ex- trémité de la pièce 25 entre lesquelles elle s'appuie sur l'élément 22. La pièce 25 passe entre deux branches 29a, 29b d'une pièce support en U 29 portant la pièce 26 et fixée sur la surface extérieure du tronçon 11. Ainsi, les éléments de liaison 21, 22 per- mettent par leur déformation un-débattement angulaire limité entre les tronçons 11 et 11'. Quant aux-efforts longitudinaux entre les tronçons 11il et 11', ils sont transmis, en traction, successivement par les pièces , :. .-%. 2474638; 7- 29, 26, 22, 25 et 28 et, en compression, successivement par les pièces 26, 27, 24, 21, 23 et 28. L'élément flexible 21 participe à la fonction d'articulation entre les tronçons 11 et il' mais n'est pas indispensable. Aussi, en variante, on pourra réali- ser un palier "simple effet" avec le seul élément fle- xible 22, les pièces 23, 21 et 25 étant remplacées par une portée cylindrique 23' fixée sur le support 28 (fi- gure 2) et sur laquelle prend appui la pièce 26. Le dispositif d'étanchéité 30 illustré seul, de façon plus détaillée, sur les figures 3 et 4, est du type à soufflets. L'étanchéité au niveau de chaque articula- tion, par exemple entre les tronçons 11 et 11' est, réalisée au moyen de deux soufflets 31, 32 semblables disposés symétriquement de part et d'autre du plan P. Chaque soufflet peut se plier ou se déplier autour d'un axe pratiquement confondu avec celui de l'articulation. Les plis des soufflets 31, 32 sont mu- nis à l'extérieur de joncs 33 disposés le long des creux de ces plis. Des bandes métalliques 35, 36 fixées sur la surface extérieure des tronçons 11, 11' le long de leurs bords en regard relient de façon étanche les bords 31a, 32a des soufflets 31, 32 aux tronçons. Ces bords 31a, 32a sont munis de bourrelets emprisonnés entre les bandes 35, 36 et lès parois extérieures des tronçons 11, Il'. Comme on peut le voir sur la figure 4, les - soufflets 31, 32 se recouvrent partiellement dans la zone de leur jonction au niveau de l'axe de l'articulation. D'autres modes de réalisation des dispositifs d'étanchéité peuvent être utilisés et sont décrits ci- après en référence aux figures 5 à 10 sur lesquelles . À seuls sont représentés les dispositifs d'étanchéit édes articulations pour plus de clarté sur le dessin. Ainsi, comme illustré par les figures 5 à 7, le dispositif d'étanchéité peut être disposé dans l'in- -5 tervalle entre une extrémité 16 d'un premier tronçon, par exemple 11, et une partie évasée 16' formant jupe sphérique située à l'extrémité du tronçon 11' adjacente au tronçon 11 et.entourant la partie d'extrémité 16 de ce dernier. Dans le cas du mode de réalisation illustré par les figures 5, 8 et 9, l'étanchéité est obtenue au moyen de plusieurs segments racleurs annulaires 51, par exemple au nombre de quatre. Chaque segment est porté par un support annulaire 52 relié à l'extrémité 16 du tronçon 11l par une bande 53 formée de plaques 54 as- semblées les unes aux autres. Comme on peut le voir sur la figure 8, deux plaques voisines se recouvrent mu- tuellement sur une distance au moins égale -à la moitié de leur longueur. Les plaques 54 sont vissées le long de leursbords.sur le bord de l'extrémité 16 et sur le sup- port annulaire 52, lequel peut être formé en plusieurs parties disposées bout à bout. Les plaques 54'sont re- réalisées en métal et sont déformées élastiquement lors de leur montage de manière à appliquer les segments 51 avec pression contre la surface intérieure de la jupe 16'. La jupe 16' est positionnée et dimensionnée de manière que les segments 51 restent en contact per- manent avec celle-ci pour toutes les positions relati- ves possibles entre les tronçons '11 et il'. Dans le cas du mode de réalisation illustré par les figures 6 et 10, l'étanchéité est assurée par une membrane annulaire 61 dont les bords 62, 63 sont fixes respectivement sur la jupe 16' et-sur l'extrémi- té 16 du tronçon 11. Le bord 62 est muni d'un bourrelet 2474638. enserré par exemple entre deux pièces annulaires 64, 65 fixées l'une à l'autre et constituant la jupe 16'. Le bord 63 est muni d'un bourrelet enserré entre la surface ex- térieure de l'extrémité 16 et une bague de serrage 66. Enfin, suivant un mode de réalisation avanta- geux, le dispositif d'étanchéité est du type à joint roulant comme illustré par les figures 7, 11 et 12. L'extrémité 16 du tronçon 11 est constituée par une pièce rapportée ayant une surface extérieure sphérique concentrique avec la surface intérieure de la jupe 16' et située en regard de celle-ci. Entre ces surfaces est disposé un joint torique 71. Ce joint est constitué par exemple par un anneau creux réalisé en élastomère armé et rempli de liquide. Ce joint est ser- ré avec pression entre la jupe 16' et l'extrémité 16. Lorsque les tronçons 11 et 11' s'inclinent l'un par rap- port à l'autre, le joint 71 roule sur les surfaces en- tre lesquelles il est monté. Une pluralité de bandes 72, 73-sont disposées entre la jupe 16' et la pièce d'extrémité 16 tout au- tour de l'axe de la conduite. Les bandes 72 sont fixées à leurs extrémités le long des bords en regard 16'a, 16a de la jupe 16' et de la pièce 16, bords situés du côté du tronçon 11. La fixation est réalisée au moyen de bagues de serrage 74, comprimant les extrémités munies de bourrelets des bandes 72. Chaque bande 72 passe sur le joint roulant 71 entre ses extrémités. De façon semblable, des bagues de serrage 76, 77 fixent les extrémités des bandes 73 le long des bords-en regard 16'b, 16b de la jupe 16' et de la pièce 16, bords situés du côté du tronçon 11'. Entre ses ex- trémités, chaque bande 73 passe sur le joint roulant 71. Comme on peut le voir sur la figure 12, le joint roulant 71 est maintenu sur toute sa longueur par les bandes 72, 73 disposées alternativement. Ainsi, lorsque les tronçons 1il, 11' pivotent l'un par rapport à l'autre, des efforts de traction sont exercés sur les bandes 72, 73, lesquelles forcent le joint 71 à rouler entre les surfaces contre lesquelles il est appliqué. Bien entendu, diverses modifications ou ad- jonctions pourront être apportées aux modesde réalisa- tion décrits plus haut d'une conduite articulée confor- me à l'invention sans pour cela sortir du cadre de pro- tection défini par les revendications annexées. 2474638, REVENDICATIONS 1. Conduite articulée de grand diamètre, compor- tant des tronçons rigides reliés les uns aux autres par des articulations permettanL.un mouvement angulaire li- mité entre tronçons voisins, chaque articulation com- portant un dispositif de liaison flexible utilisant des éléments constitués par un empilement de couches alter- nées d'un matériau élastique et d'un matériau rigide, et un dispositif d'étanchéité assurant une séparation étanche entre l'intérieur et l'extérieur de la condui- te au niveau de l'articulation, caractérisée en ce que chaque articulation comporte un dispositif de liaison flexible à deux paliers cylin- driques diamétralement opposés et offrant un degré de liberté autour d'un axe perpendiculaire à l'axe des tronçons situés de part-et d'autre de l'articulation, les axes de deux articulations successives ayant des directions différentes l'une de l'autre, et les dispo- sitifs de liaison flexible et d'étanchéité de chaque articulation sont disposés à l'extérieur d'un passage situé dans le prolongement des passages internes des deux tronçons reliés par cette articulation, de manière à conserver tout au long de la conduite une section de passage libre au moins égale à celle de chaque tronçon. 2. Conduite selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les axes des articulations situées aux extrémités d'un même tronçon sont décalés de 90 . 3. Conduite selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisée en ce que chaque palier cylindrique comporte un assemblage modulaire de blocs chacun constitué par un empilement de couches alternées d'un matériau élastique et d'un matériau rigide. 4.- -Conduite selon l'une quelconque des revendi- cations.1 à 3, caractérisée en ce que chaque articula- tion est- munie d'un dispositif d'étanchéité à soufflets dont les mouvements d'ouverture et de fermeture se font 2474638;' autour d'un axe pratiquement confondu avec celui'de l'articulation. 5. Conduite selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif d'étanchéité est logé dans l'intervalle entre la surfa- ce intérieure de l'extrémité évasée d'un premier tron- çon et la surface extérieure de la partie d'extrémité adjacente du tronçon voisin entourée par ladite extré- mité évasée. - 6. Conduite selon la revendication 5, caractéri- sée en ce que le dispositif d'étanchéité comporte des segments annulaires appliqués avec pression contre la surface intérieure du premier tronçon évasée et portés par des supports reliés à l'autre ttonçon par des piè- ces de liaison sollicitées élastiquement. 7. Conduite selon la revendication 5, caractéri- sée en ce que le dispositif d'étanchéité comporte une membrane souple annulaire dont les bords sont fixés sur les tronçons voisins. - 8. Conduite selon la revendication 5, caractéri- sée en ce que lesdites surfaces intérieure et extérieu- re sont des surfaces sphériques concentriques et le dispositif d'étanchéité comporte un joint torique pou-- vant rouler sur lesdites surfaces. 9. Conduite selon la revendication 8, caractéri- sée en ce que le joint est maintenu par des bandes fi- xées à leurs extrémités sur les deux tronçons de con- duite et passant sur le joint entre leurs extrémités. 10. Conduite selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que le joint est maintenu sur toute sa lon- gueur alternativement-par des premières bandes dont les extrémités sont fixées sur les tronçons de conduite sensiblement au niveau de l'extrémité de l'un des tronçons et par des secondes bandes dont les extrémités sont fixées sur les tronçons de conduite sensiblement au niveau de l'extrémité de l'autre tronçon.