Brevet FR2491044A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne un procédé pour renforcer un corps creux de révolution tel qu'une cana- lisation ou un récipient destiné à être mis sous pression. Selon ce procédé, on enroule autour du corps creux suivant des spires sensiblement jointives, un profilé flexible et on fixe ce dernier à ce corps creux. L'invention vise également un profilé comprenant des fibres minérales enrobées dans une résine synthétique, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. L'invention vise en outre une canalisation ren- forcée extérieurement au moyen du profilé précité. On connait divers procédés pour renforcer extéri- eurement des canalisations ou récipients cylindriques notamment en acier. Selon l'un de ces procédés, on enroule autour de la canalisation ou du récipient des feuillards ou des fils en acier à haute résistance, soit avec soit sans tension. Grâce à cet enroulement, on augmente la résistance de la canalisation ou du récipient à l'égard des pressions internes. Mais les canalisations ou récipients ainsi renfor- cés sont difficiles à protéger à l'égard de la corrosion et les enroulements ne sont fixés au corps renforcé qu'aux extrémités. Dans un second procédé, on enroule autour de la canalisation ou du récipient des fibres de verre imprégnées dans une couche de résine synthétique liquide ou partiel- lement polymérisée. La polymérisation de la résine est ensuite réalisée par passage dans un four. Cet enroulement de fibres de verre ne peut être réalisé qu'en appliquant une tension faible sur les fibres de verre, ce qui compte tenu de la différence de module dans le cas le plus courant de l'acier et du verre, 2 2491044 oblige à une expansion hydraulique importante du corps renforcé pour utiliser toute la résistance du verre. Toutefois cet enroulement de fibres de verre noyées dans und résine synthétique permet d'obtenir une excellente protection contre la corrosion et les fibres sont solidaires du corps renforcé sur toute sa surface. Le but de la présente invention est de fournir un procédé qui permette d'améliorer considérablement la résistance d'un corps creux de révolution à l'égard des pressions internes, ce procédé étant de mise en oeuvre particulièrement commode et utilisant au maximum la résistance admissible des fibres utilisées sans expansion du corps renforcé. Dans le procédé visé par l'invention, on enroule autour du corps creux suivant des spires sensiblement jointives, un profilé flexible et on fixe ce dernier à ce corps creux. Suivant l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on utilise un profilé en matériau dont la limite élastique est supérieure à celle du matériau du corps creux et en ce qu'on enroule ledit profilé autour du corps creux avec une tension suffisante pour que, lorsque le corps creux est mis sous pression, les contraintes susceptibles de s'exercer dans le corps et dans les enroulements dudit profilé atteignent leur maximum admissible sensiblement en même temps. On utilise ainsi, dans des conditions optimales, la résistance utile du matériau constituant le profilé et on évite l'expansion qui présente dans la pratique de nombreux inconvénients. 3 2491044 Selon une version préférée du procédé, le profilé utilisé comprend des fibres enrobées dans une résine syn- thétique complètement polymérisée, lesdites fibres s'éten- dant dans la direction de ce profilé. Un tel profilé est parfaitement adapté au renforcement des canalisations ou récipients en acier. En effet, ce profil de fibres noyées dans une résine synthétique complètement polymérisée présente une limite élastique beaucoup plus élevée que l'acier, de sorte qu'il est possible d'enrouler ce profilé autour des canalisations ou récipients avec une tension relativement importante, nettement inférieure à la limite admissible pour un tel profilé. De plus, la fixation d'un tel profilé sur la cana- lisation ou le récipient peut être exécutée très facilement par exemple par collage ou thermofusion, si la résine utilisée est une résine thermoplastique. Dans ces conditions, on résout en même temps d'une manière très commode, le problème de la protection de la canalisation ou du récipient à l'égard de la corrosion. L'invention vise également un profilé particulier pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Selon une version avantageuse de l'invention, ce profilé renferme au moins 50 % en volume de fibres miné- rales noyées dans une résine synthétique polymérisée. Un tel profilé présente une résistance à la traction très élevée et permet en même temps d'obtenir un revêtement extérieur isolant la canalisation du milieu ambiant. L'invention vise en outre une canalisation renfor- cée extérieurement par un enroulement réalisé au moyen du profilé précité. Selon une réalisation avantageuse, cette canalisa- tion comprend au moins une couche de l'enroulement précité, le profilé étant collé sur la canalisation et les spires de ce profilé étant collées les unes aux autres. Dans le cas o les spires de l'enroulement sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de la canalisation, on obtient une forte amélioration de la résistance à l'égard des contraintes circonférentielles. - Pour améliorer la résistance de la canalisation & l'égard des contraintes circonférentielles et longitudina- les, il est avantageux qu'une partie au moins des spires soit oblique par rapport à l'axe de révolution de la cana- lisation. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma qui illustre le pro- cédé conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue d'une portion de cana- lisation partiellement revêtue extérieurement par un enrou- lement obtenu à partir d'un profilé conforme à l'invention - la figure 3 est une vue en coupe transversale à grande échelle d'un profilé conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe partielle, à échelle agrandie, suivant le plan IV-IV de la figure 2; - les figures 5 et 6 représentent sous forme de courbes les contraintes exercées dans les différents maté- riaux d'une canalisation renforcée conformément à l'inven- tion, en fonction du taux d'allongement de ces matériaux; - la figure 7 est une variante de réalisation d'une canalisation-renforcée conformément a l'invention. Dans la réalisation selon les figures 1 et 2, on a représenté une canalisation cylindrique 1 en acier, destinée à contenir un fluide sous pression, renforcée extérieurement par des enroulements à spires jointives 2a, 2b, 2c, etc., réalisés au moyen d'un profilé 2 en matériau flexible. Dans l'exemple représenté, les spires 2a, 2b, 2c sont perpendiculaires à l'axe X-X' de la canalisation 1. Conformément au procédé selon l'invention, on utilise un profilé flexible 2 en un matériau dont la limite élastique est supérieure à celle du matériau (acier) de la canalisation l et on enroule ce profilé autour de cette canalisation l avec une tension suffisante pour que, lors- que la canalisation l est mise sous pression, les contrain- tes susceptibles de s'exercer dans cette canalisation et dans les enroulements de ce profilé 2 atteignent leur maxi- mum admissible sensiblement en même temps. Pour effectuer cet enroulement, comme indiqué sur la figure 1, on fait tourner la canalisation i autour de son axe XX', le profilé 2 étant amené sur cette canalisa- tion l à partir d'une bobine 3 montée en rotation sur un axe Y-Y' autour duquel le profilé 2 est enroulé en spirale. Cette bobine 3 est mobile le long de l'axe Y-Y' pour permet- tre au profilé 2 de s'enrouler autour de la canalisation 1, suivant une hélice à spires jointives. La tension de l'enroulement est réglée au moyen d'un dispositif dé freinage 4 disposé entre la canalisation l et la bobine 3. Ce dispositif de freinage 4 comprend deux galets 5, 6 prenant appui sur le profilé 2. Le profilé 2 utilisé comprend (voir figure 3) des fibres 7 enrobées dans une résine synthétique 8, ces fibres s'étendant dans la direction longitudinale D de ce profilé. Ces fibres 7 peuvent être des fibres minérales telles que les fibres de verre, d'amiante, de bore et de carbone. Ces fibres 7 peuvent également être en une matiè- re organique suffisamment résistante telle que le Kevlar. Les fibres 7 sont cependant constituées de préfé- rence par des fibres de verre, ce matériau étant le plus économique-au point de vue performance et coût. Le profilé 2 est lors de l'enroulement, collé sur la canalisation ainsi que sur la ou les couches d'enroule- ment sous-jacentes. La résine 8 du profilé 2 est de préférence une résine thermoplastique telle que polyamide ou polychlorure de vinyle. En utilisant de telles résines, il est possible tcr effet de réaliser la fixation du profilé flexible 2 sur la canalisation 1 et sur les enroulements précédents par thermofusion ou thermocollage. Pour effectuer ce thermocollage, il suffit de disposer sous le profilé 2 a proximité de la canalisation 1, une tubulure 9 soufflant de l'air chaud 10 (voir fi- gure 1). Cet air est chauffé par exemple au moyen d'une résistance électrique chauffante il enroulée autour de la tubulure 9. L'air est ainsi chauffé à une température suf- fisante pour assurer la fusion superficielle de la résine 8 du profilé 2, ce qui permet d'obtenir lors de l'enroule- ment le collage de ce profilé sur la canalisation et le collage des différentes spires de l'enroulement. Pour faciliter le collage, il est avantageux d'ap- pliquer sur la surface extérieure de la canalisation 1, une couche de primaire d'adhérence 12 (voir figure 4). Comme montré sur cette figure 4 il est également avanta- geux que les spires de l'enroulement soient disposées en quinconce suivant les différentes couches successives. Pour obtenir un profilé 2 présentant la résistance à la traction et le module d'élasticité désirés, il faut que ce profilé renferme au moins 50 % en volume de fibres minérales. Cette condition est réalisée lorsque la résine synthétique 8 renferme au moins 70 % en poids de fibres de verre 7. Un tel profilé 2 de fibres enrobées dans une résine peut être fabriqué aisément par extrusion, impré- gnation ou analogue. On voit notamment sur les figures 3 et 4 que le profilé 2 présente une section rectangulaire relati- vement aplatie. 2491044- Le fait que le profilé 2 présente une épaisseur e faible permet de limiter le rapport des tensions créées du fait du rayon de courbure, lors de l'enroulement dans les fibres 7 extérieures sur les ten- sions créées dans les fibres intérieures. De préférence, on détermine l'épaisseur e pour que le rapport précité soit inférieur à 1,2. Dans ces conditions la tension créée dans les fibres extérieures ne dépasse pas de plus de 20 % la tension créée dans les fibres intérieures. La canalisation 1 renforcée extérieurement par des enroulements suivant des spires jointives d'un profilé 2 est capable de supporter des pressions internes beaucoup plus élevées que celles admises en l'absence d'enroulements, comme on l'expliquera plus en détail plus loin. De plus, du fait que les enroulements du profilé 2 sont collés contre la canalisation 1 et les uns avec les autres, le revêtement obtenu est parfaitement étanche, de sorte que la canalisation 1 se trouve en même temps effi- cacement protégée à l'égard de la corrosion. De plusce revé- tement confère simultanément à la canalisation l une légère isolation thermique ce qui est avantageux lorsque cette canalisation est destinée à transporter un fluide à basse ou haute température. On va maintenant décrire un exemple détaillé de réa'isation selon l'invention. Caractéristiques de la canalisation 1: Acier X 52 - diamètre extérieur: 61 cm - épaisseur de la paroi: 7,92 mm - limite élastique: 36,5 kg/mm2 Caractéristiques du profilé 2: - nature de la résine: polyamide - nature des fibres: verre - pourcentage des fibres: 70 % en poids - limite de rupture en traction: 136,5 kg/mm2 - module d'élasticité: 4 500 kg/mm2 Sur la figure 5, la courbe a représente le module d'élasticité de l'acier de la canalisation 1 et la courbe b est relative au module d'élasticité du profilé 2 dans le cas o ce dernier est enroulé sans tension autour de la canalisation en acier 1. On constate qu'à la limite d'élasticité de la cana- lisation 1 (36,5 kg /mm2) l'allongement A est de 0,3825 %. Dans ces conditions, la contrainte induite dans le profilé 2 est seulement de 17,2 kg/mm2 soit à peine 0,126 de sa limite de rupture qui est égale à 136,5 kg/mm2. Les pro- priétés mécaniques du profilé 2 sont donc très mal utilisées, lorsqu'il est enroulé sans tension autour de la canalisation 1. Si par contre l'enroulement du profilé 2 est exécuté avec une tension correspondant à un allongement A de 1 % de ce profilé, on obtient pour ce dernier la courbe c. Dans un tel cas, on obtient à la limite d'élasticité de l'acier de la canalisation 1 une contrainte dans le profilé 2 égale à 62,2 kg /mm2 soit seulement 0,456 de sa limite de rupture ce qui est très acceptable. Le même résultat pourrait être obtenu avec un enrou- lement du profilé 2 exécuté sans tension (voir courbe b) mais avec expansion de la canalisation. Toutefois l'expansion de la canalisation 1 atteint dans ces conditions la valeur de 1,1% qui est nettement supérieure à la limite élastique de l'acier. Il y aurait par conséquent alors déformation importante et inadmissible de l'acier de la canalisation. Pourréaliser un renforcement ou frettage optimal de la canalisation 1 au moyen d'un profilé 2 fibre-résine, on se fixe la contrainte makimale admissible pour le pro- filé 2 et pour la canalisation en acier 1 et on calcule l'épaisseur ev des enroulements de ce profilé à mettre en place autour de la canalisation 1 de façon que la contrainte circonférentielle due à la pression interne soit répartie par moitié entre la canalisation et le renforcement et que les contraintes susceptibles de s'exercer dans les enrou- lements du profilé 2 et dans la canalisation 1 en acier atteignent leur maximum admissible en même temps. Cette épaisseur e est égale à: Ta.ea rela- v tion dans laquelle ea est l'épaisseur de la canalisation en acier 1 et Ta et Tv sont les contraintes maximales admises pour l'acier et le profilé 2 fibre-résine. Dans le cas de l'exemple précédent: Ta = 0,73 x 36,5 = 26,6 kg/mm2 TV = 0,5 x 136,5 = 68,2 kg/mm2 Il en résulte donc que ev = 266 x 7,92 soit environ 3 mm. 68,2 La figure 6 représente les contraintes exercées dans le profilé 2 fibre-résine et dans la canalisation en acier 1. L'origine des allongements est prise par rapport à la canalisation 1 en acier (courbe d) ayant subi une expansion jusqu'à sa limite élastique (E). La courbe _ en pointillés est relative à l'acier avant expansion. La courbe f est relative au profilé 2 enroulé sous tension sur la canalisation 1. Lorsque la pression interne de la canalisation 1 est nulle, la précontrainte (tension d'enroulement) dans le profilé 2 est de 56,3 kg/mm2 et celle de l'acier (compression) est de 21,7 kg/mm2. Cette précontrainte a pour effet de comprimer la canalisation d'acier de - 0,11 %. -Lorsque la canalisation 1 est sous pression de service, la contrainte dans la canalisation en acier 1 est de 26,6 kg/ mm2 soit 0,73 E (E = limite élastique), et dans le profilé 2 fibre-résineest de 67,5 kg / mm2 soit environ 0,5 R (R = résistance à la rupture de ce profilé). Dans ces conditions le taux de travail moyen à la limite de service de l'ensemble est de: 26X6 + 67,5 - 54 % de la limite élastique 36,5 + 136, I5 moyenne de l'ensemble, l'acier s'étant déformé plastiquement, au lieu de 73 % dans le cas de l'acier seul. A la limite d'élasticité E de l'acier le taux de travail serait seulement de: 36,5 + 69,8 = 61 % de la limite élastique moyenne 36,5 + 136,5 de l'ensemble au lieu de 100 % dans -0 dans le cas de l'acier seul. Ainsi grâce à l'invention, il est possible d'améliorer considérablement la sécurité des canalisations destinées & supporter une pression interne tout en doublant la pression de service. Inversement pour une pression de, service donnée il est possible d'utiliser des canalisations d'épaisseur nettement moindre, ce qui se traduit par un important gain de poids de l'ensemble de la canalisation de l'ordre de 45%. L'invention peut s'appliquer au renforcement de tous les corps de révolution devant résister a des pres- sions internes. Dans le cas d'enroulements à spires sensiblement perpendiculaires à l'axe de révolution de ces corps, ces, derniers doivent également supporter seuls la résistance aux efforts longitudinaux, les efforts radiaux dus à la pression interne étant absorbés par moitié par le corps de révolution de base, et par moitié par le renforcement extérieur réalisé par les enroulements du profilé 2 fibre- résine. Bien entendu, l'invention peut s'appliquer au renforcement de canalisations ou de récipients réalisés en des matériaux autres que l'acier, tels que la fonte ductile, l'amiante-ciment, le béton ordinaire ou isolant ainsi que les tubes de forage. Dans le cas o il est souhaitable de renforcer le corps cylindrique de révolution également à l'égard des efforts exercés suivant l'axe de ces corps, les spires de l'enroulement du profilé peuvent être obliques et éventu- ellement croisées selon les différentes couches successi- ves, comme dans le cas des enroulements formés des spires 13a, 13b de la canalisation 14 représentée sur la figure 7. Dans une variante du procédé conforme à l'inven- tion, le thermocollage du profilé 2 fibre-r6éine peut être 1 1 assuré par des éléments chauffants infrarouges disposés à proximité du profilé lors de son enroulement. Ce chauffage peut encore être réalisé par un faisceau laser ou au moyen d'ultra-sons. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour renforcer un corps creux (1) de révolution tel qu'une canalisation ou un récipient destiné à être mis sous pression, dans lequel on enroule autour du corps creux (1), suivant des spires sensiblement jointives (2a, 2b, 2c), un profilé flexible (2) et on fixe ce dernier audit corps creux, caractérisé en ce qu'on utilise un pro- filé (1) en matériau dont la limite élastique est supérieu- re à celle du matériau du corps creux (1) et en ce qu'on enroule ledit profilé autour du corps creux avec une ten- sion suffisante pour que, lorsque le corps creux (1) est mis sous pression, les contraintes susceptibles de s'exer- cer dans le corps et dans les enroulements dudit profilé (2) atteignent leur maximum admissible sensiblement en même temps. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caracté- risé en ce que le profilé (2) utilisé comprend des fibres (7) enrobées dans une résine synthétique (8), lesdites fi- bres (7) s'étendant dans la direction (D) de ce profilé. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caracté- risé en ce que les fibres sont minérales et sont choisies parmi les fibres de verre, d'amiante, de bore et de carbone. 4. Procédé conforme à l'une - quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite résine synthétique est une résine thermoplastique. 5. Procédé conforme à l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'on fixe le profilé (2) sur le corps creux (1) par collage. 6. Procédé conforme à la revendication 4, caracté- risé en ce que pour fixer le profilé (2) sur le corps creux (1) on chauffe la surface du profilé destinée à être appli- quée sur le corps creux à une température suffisante pour qu'on obtienne la fusion superficielle de la résine (8). 7. Profilé comprenant des fibres minérales enrobées dans une résine synthétique, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il renferme au moins 50 % en volume de fibres minérales. 8. Profilé conforme à la revendication 7, caracté- risé en ce qu'il présente une section sensiblement rectan- gulaire. 9. Profilé conforme à la revendication 8, caracté- risé en ce que l'épaisseur (e) du profilé est suffisamment faible pour que le rapport des tensions créées du fait du rayon de courbure, lors de l'enroulement dans les fibres extérieures sur les tensions créées dans les fibres inté- rieures soit inférieur à 1,2. 10. Profilé conforme à l'une quelconque des reven- dications 7 à 9, caractérisé en ce que la résine synthéti- que est constituée par une résine polyamide. 11. Canalisation renforcée extérieurement par un enroulement réalisé au moyen d'un profilé (2) conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une couche dudit enroule- ment, le profilé (2) étant collé sur la canalisation (1) et les spires (2a, 2b, 2c) de ce profilé étant collées les unes aux autres. 12. Canalisation conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que les spires (2a, 2b, 2c) de l'enrou- lement sont sensiblement perpendiculaires à l'axe (X-X') de la canalisation (1). 13. Canalisation conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que les spires (13a, 13b) de l'enroule- ment sont obliques par rapport à l'axe de la canalisation (14).