Brevet FR2509011A1 — publié le 19830107

il La présente invention est relative à un procédé pour fixer un embout métallique sur un tube en un matériau composite et au tube ainsi réalisé De tels tubes en matériau composite sont destinés à être notamment utilisés dans la recherche pétrolière en mer. Dans ce domaine particulier, les tubes et leurs embouts doivent résister à des forces de traction pouvant atteindre, dans les conditions normales d'utilisation, un million de newtons environ; c'est pourquoi on préfère encore i O actuellement utiliser des tubes métalliques à embouts métal- liques dont on connaît parfaitement la résistance à de telles charges En effet, on a pu calculé que le flux de traction exprimé par la formule DT dans laquelle T est l'effort de traction et D le diamètre du tube, peut atteindre dans ce domaine, environ 3 500 000 newtons/mètre. Dans un domaine comme celui de la recherche pétro- lière en mer, les tubes en matériau composite munis d'embouts métalliques, dont les performances peuvent être comparables à celles des tubes métalliques actuels, présentent des avantages certains notamment du fait de leur résistance à la fatigue et à la corrosion, et de leur moindre poids. Malheureusement, on n'a pu jusqu'à maintenant fabriquer de tels tubes que pour des utilisations mettant en oeuvre des flux de traction faibles. On connaît actuellement des procédés industriels pour réaliser des tubes en matériau composite munis d'embouts métalliques. Selon un premier procédé, on dispose des brides métalliques tournantes sur collets qui sont collées par emmanchement sur des tubes en matériau composite afin de fixer les embouts Les tubes sont ensuite raccordés par boulonnage des brides comme il est d'usage en tuyauterie métallique traditionnelle Mais de tels tubes ne peuvent être utilisés que sous des contraintes faibles, et notamment lorsque le flux de traction ne dépasse guère 500 000 newtons/ mètre. Selon-un second procédé, on pratique, sur les parois internes des embouts métalliques, des gorges circu- laires de formes déterminées et on les emmanche sur le tube en matériau composite non encore polymérisé La fixation des embouts sur les tubes est réalisée par la polymérisation du matériau composite et par l'application au niveau de la liaison entre les embouts et les tubes, avec un moyen quelconque, d'une pression afin que le matériau composite remplisse ces gorges On obtient ainsi les embouts métalliques intégrés aux tubes et maintenus en place méca- niquement grâce aux gorges remplies de matériau composite. Bien que ce procédé confère à ces tubes des caractéristiques de résistance supérieures au premier procédé, les limites de résistance des matériaux utilisés, en particulier les fibres et résines composants du matériau composite, ne permettent pas, au niveau des embouts métalliques, de suppor- ter des flux de traction dépassant un million de newtons/mètre. Par ailleurs, des tubes en matériau composite qui seraient munis d'embouts également en matériau composite ne permettraient en aucun cas d'atteindre les performances requises sous les mêmes charges. Aussi, un but de la présente invention est-il un procédé qui permet de fixer un embout métallique sur un tube en matériau composite. Un objet de l'invention est un tube en matériau composite qui comporte au moins un embout métallique, et dont les caractéristiques de résistance, notamment à la traction, sont notablement améliorées. Un tel tube permet de remplacer les tubes métal- liques actuellement utilisés par des tubes en matériau compo- site munis d'embouts métalliques, selon le mode de fixation de la présente invention. Un but supplémentaire de la présenteinvention est de fournir un procédé pour fabriquer de tels tubes en matériau composite munis d'au moins un embout métallique de façon simple et industrielle. Les objets et ces buts, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints, selon la présente invention, par un procédé pour fixer un embout métallique sur un tube en matériau composite qui comprend les étapes suivantes: a) on enduit d'une colle la surface externe de l'embout métallique destinée à venir en contact avec le tube en matière composite, après l'avoir nettoyée et dégraissée; b) après séchage de la colle, on dépose une feuille d'élastomère sur cette colle; c) dans une enceinte, dans laquelle on a placé l'embout métallique issu de l'étape b), on réalise simul- tanément la vulcanisation de l'élastomère constituant la première feuille et la polymérisation de la colle; d) après un dégraissage de la face de cette feuille d'élastomère destinée à venir en contact avec le tube en matériau composite, on enduit celle-ci d'une couche de colle; e) après séchage, on applique sur cette couche le tube en matériau composite non encore polymérisé; f) on effectue une polymérisation de l'ensemble issu de l'étape e). Avantageusement, le séchage de la colle enduite aux étapes a) et d) est réalisé à l'abri de la poussière. De préférence, le vide est fait et maintenu dans l'enceinte pendant toute la durée de l'étape e). De préférence, à l'issue de l'étape d) on place l'embout métallique sur un mandrin. Avantageusement, la colle utilisée au cours des différentes étapes de ce procédé est du type époxy. Selon un mode de réalisation, on dispose sur la paroi interne d'une coquille une seconde feuille d'un élastomère comme décrit précédemment Cette coquille peut être métallique et constituée de plusieurs secteurs. Avantageusement, on solidarise au moyen d'une bague de blocage la coquille sur l'embout. Après avoir enduit de colle la surface interne de cette seconde feuille, on monte cette coquille autour du tube au niveau de l'embout métallique et on la solidarise notamment par un bobinage circonférentiel d'une frette. Le tube qui comporte ainsi un embout métallique 25090 1 l -dans le cas o il en comporte deux, les opérations décrites précédemment sont menées simultanément à chaque extrémité du tube est placé dans une étuve afin de polymériser le maté- riau composite. L'invention est également relative à un tube en matériau composite qui comprend au moins un embout métalli- que, une première feuille d'élastomère étant interposée entre eux et adhérant à chacun d'eux. Avantageusement, l'adhérence entre la première 1 O feuille d'élastomère et l'embout métallique, d'une part, et le tube en matériau composite, d'autre part, est réalisée par une colle qui peut être du type époxy. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ce tube comporte une coquille qui l'entoure au niveau de l'embout métallique, une seconde feuille d'un élastomère étant interposée entre celle-ci et le tube lui-même. De préférence, cette seconde feuille adhère à la paroi interne de cette coquille et à la surface extérieure du tube, notamment par utilisation d'une colle qui peut être du type époxy. De préférence, une frette, par exemple en fibres de verre, est disposée autour de cette coquille afin de soli- dariser les secteurs la composant et la maintenir contre le tube. La description qui va suivre et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra à l'homme du métier de mieux comprendre comment la présente invention peut être mise en oeuvre Elle doit être lue en regard de la figure annexée qui représente une demicoupe longitudinale d'un tube en matériau composite Domprenant un embout métallique. Ainsi qu'on peut le voir sur cette figure, un tube 1 en matériau composite est muni à une de ses extrémités d'un embout métallique 2,- ayant une forme sensibleri ent tronconique selon cet exemple de réalisation. Entre la surface externe 3 de cet embout 2 et la paroi interne du tube 1 est disposée une feuille 4 d'un élastomère qui est collée sur cette surface externe 3. Ainsi la liaison entre l'embout métallique 2 et le matériau composite constituant le tube 1 est réalisée par une feuille 4 d'un élastomère qui se trouve interposée entre eux. Cette feuille 4 d'un élastomère apporte à la liaison réalisée la souplesse nécessaire pour amortir les flux de traction et transmettre progressivement des efforts entre l'embout métallique 2 et le tube 1 en matériau com- posite. Si nécessaire, afin d'améliorer encore les performances, le tube 1 comprend également au niveau de sa liaison avec l'embout métallique 2, une autre feuille d'un élastomère qui adhère à sa paroi externe, l'ensemble ainsi réalisé étant enfermé dans deux demi-coquilles 6 solidarisées entre elles et avec cette feuille 5 par tout moyen. Afin de rendre ces deux demi-coquilles 6 qui peuvent être métalliques, solidaires l'une de l'autre et de les maintenir serrées contre la feuille 5, on réali- se un frettage 7 autour d'elles, celui-ci étant constitué par exemple de fibres de verre. Selon ce mode pour réaliser l'invention, le tube 1 est ainsi pris par collage entre deux feuilles 4 et 5 d'un élastomère qui sont elles-mêmes collées l'une 4 sur l'embout 2, l'autre 5 sur les demi-coquilles 6, le tout étant maintenu solidaire, d'une part, par un frettage 7 et, d'autre part, à l'encontre d'ut mouvement axial, par un dispositif approprié tel qu'une bague de blocage 8. Ainsi qu'il a été dit précédemment, la présente invention concerne également un procédé pour fabriquer un tube en matériau composite qui comporte au moins un embout métallique. La première étape de ce procédé ou étape a) 250901 1 consiste à enduire la surface externe 3 de l'embout métal- lique 2 d'une première colle après l'avoir rendue propre et apte à recevoir un encollage, comme ceci est d'usage dans les opérations de collage: selon un mode de réalisa- tion ceci est effectué par un léger sablage puis par un dégraissage à la méthyl-éthyl-cétone. La colle utilisée est par exemple du type époxy permettant de coller un élastomère sur une surface métalli- que. Après séchage de cette première colle à l'abri de la poussière, on dépose au cours de l'étape b) une pre- mière feuille 4 d'un élastomère sur cette couche de colle. L'épaisseur de cette feuille varie, en fonction de l'épais- seur du tube et des performances requises, entre 0,5 et 5 millimètres. A l'étape c) on réalise simultanément dans une étuve portée environ à 1600 C, après avoir placé l'embout métallique 2 ainsi revêtu dans un sac étanche dans lequel le vide est réalisé et maintenu pendant toute cette étape, d'une part, la vulcanisation de l'élastomère constituant la feuille 4 et, d'autre part, la polymérisation de la première colle. A l'issue de cette étape c), on monte de manière fixe l'embout métallique 2 ainsi habillé sur un mandrin (non représenté sur la figure) qui sert au dépôt des couches de matériau composite pour constituer le tube 1 Dans cet exemple de réalisation il s'agit d'un dépôt par bobinage filamentaire On effectue au cours de cette étape d) un dégraissage par exemple à la méthyl-éthyl-cétone, de la sur- face extérieure de la première feuille 4 d'élastomère Puis on encolle cette surface extérieure, et on laisse sécher. L'étape d) consiste ainsi en la préparation de la-surface extérieure de la première feuille 4 et en son enduction par un produit d'accrochage tel qu'une colle. Au cours de l'étape suivante e), on procède au bobinage du tube 1 en recouvrant la surface extérieure de la première feuille 4 d'élastomère au fur et à mesure par des couches filamentaires constituant le tube 1 Lorsque le nombre de couches de matériau composite prévu est déposé, on effectue à l'étape f) une pré-polymérisation de ce maté- riau dans une étuve classique à environ 1200 C On réalise ainsi le collage du matériau composite sur la surface exté- rieure de la première feuille 4 d'élastomère. Parallèlement aux étapes a) à e) décrites ci- dessus, on revêt la paroi interne d'une coquille constituée de deux secteurs ou demi-coquilles 6, d'une seconde feuille 5 d'un élastomère selon le même mode opératoire que celui utilisé pour revêtir l'embout métallique 2. Lorsque le matériau composite du tube 1 est pré- polymérisé et la liaison avec l'embout métallique réalisée, et que les deux demi-coquilles 6 ont leur paroi interne recouverte par collage de la seconde feuille 5, on procède à un dégraissage de la surface interne de cette feuille par exemple en utilisant de la méthyl-éthyl-cétone ainsi que de la paroi externe du tube 1 On recouvre ensuite avec de la colle, par exemple celle décrite au cours de l'étape a), les sur- faces dégraissées des deux demi-coquilles 6 Après séchage, on monte ces deux demi-coquilles 6 autour du tube 1: celui-ci est ainsi pris entre elles et l'embout métallique 2 On complète le montage, selon cet exemple de réalisation, par la mise en place d'une bague de blocage 8 destinée, rendre solidaire la coquille 6 de l'embout métallique 2 On parfait la fixation des deux demi-coquilles 6 sur le tube 1 au niveau de l'embout métallique 2 intégré dans le matériau composite, par un bobinage circonférentiel d'une frette 7 constituée par un matériau composite de même nature que celui utilisé pour réaliser le tube 1, selon ce mode de réalisation de l'invention. Le tube complet, constitué de sa partie courante 1, des embouts métalliques 2, des demi-coquilles 6 et du frettage 7, est à nouveau étuvé à environ 1600 C afin de polymériser le matériau composite, le frettage et la colle assurant la liaison entre le matériau composite et ces demi- coquilles 6. Le dispositif de fixation dont peut être muni l'embout métallique 2, permet d'adopter pour solidariser deux tubes, divers dispositifs tels que ceux de vissage ou d'encliquetage. Le procédé selon la présente invention permet la fabrication de tubes en matériau composite comprenant des embouts métalliques qui sont particulièrement bien adaptés à la recherche pétrolière en mer, du fait des propriétés mêmes du matériau composite: moindre poids, bonne résistance à la fatigue et à la corrosion C'est pourquoi ces tubes peuvent être utilisés pour des forages en mer o leurs avantages par rapport aux tubes métalliques sont déterminants pour des travaux à grande profondeur Par ailleurs, leur utilisation industrielle est avantageuse chaque fois que l'utilisateur recherche le meilleur rapport poids- performances. Bien que l'exemple de réalisation décrit ci-dessus soit relatif à la liaison entre un tube en matériau composite et au moins un embout métallique, la fixation d'une pièce métallique quelconque sur un élément en matériau composite peut être réalisée selon ce même procédé. 25090 1 REVENDICATIONS 1 Procédé pour fixer au moins un embout métalli- que sur un tube en matériau composite caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes: a) on enduit d'une colle la surface externe ( 3) dudit embout métallique ( 2) destinée à assurer la fixation dudit embout sur ledit tube, après l'avoir nettoyée et dégraissée; b) apres séchage de ladite colle, on dépose une première feuille ( 4) d'un élastomère sur ladite colle; c) dans une enceinte, dans laquelle on a placé ledit embout ( 2) issu de l'étape b), on réalise simultanément la vulcanisation dudit élastomère constituant ladite première feuille ( 4) et la polymérisation de ladite colle; d) après avoir effectué un dégraissage de la sur- face extérieure de ladite première feuille ( 4), on enduit celle-ci d'une couche de colle; e) après séchage, on procède au dépôt des diffé- rentes couches de matériau composite constituant ledit tube ( 1) en recouvrant la surface extérieure de ladite première feuille ( 4) par ledit matériau; f) on effectue une pré-polymérisation du tube issu de ladite étape e) dans une enceinte. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le séchage de la colle enduite aux étapes a) et d) est réalisé à l'abri de la poussière. 3.Procédé selon les revendicatiorsl et 2, caractérisé en ce que le vide est fait et maintenu ans ladite enceinte pendant toute la durée de ladite étape c). 4.Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait qu'à l'issue de l'étape d) on place ledit embout métallique ( 2) sur un mandrin. 5.Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite colle utilisée au cours des étapes a) et d) est du type époxy. 6.Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions i a I act:ris par e f ait cue sur i a Paroi internie de ladite coquille ( 6) on dépose une seconde feuille ( 5) d'un élastomère selon les mêmes étapes a), b) et c). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on dégraisse la surface interne de ladite seconde feuille ( 5), qu'on l'enduit d'une colle et que l'on laisse sécher. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite colle est du type époxy. 9 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'après séchage on monte ladite coquille ( 6) autour du tube ( 1) au niveau dudit embout métallique ( 2) et qu'on la solidarise audit embout ( 2). Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite solidarisation est réalisée au moyen d'une bague de blocage ( 8). 11 Procédé selon la revendication O, caractérisé par le fait que ladite solidarisation est réalisée par un bobinage circonférentiel d'une frette ( 7). 12 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé par le fait que ledit tube ( 1) comportant au moins un embout métallique ( 2) est placé dans une enceinte pour une polymérisation. 13 Tube en matériau composite comprenant au moins un embout métallique, selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisé par le fait qu'entre ledit tube ( 1) et ledit embout métallique ( 2) est située une première feuille ( 4) d'un élastomère, qui adhère à chacun d'eux. 14 Tube selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite première feuille ( 4) d'un élastomère adhère à la surface externe ( 3) dudit embout ( 2) par une colle. Tube selon la revendication 14, caractérisé par le fait que ladite colle est du type époxy. 16 Tube selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé par le fait que ladite première feuille ( 4) d'un élastomère adhère à la surface interne dudit tube ( 1) en matériau composite par une colle. 17 Tube selon la revendication 16, caractérisé par le fait que ladite colle est du type époxy. 18 Tube selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé par le fait qu'il comporte également une seconde feuille ( 5) d'un élastomère interposée entre ledit tube ( 1) et une coquille ( 6) qui l'entoure au niveau dudit embout métallique ( 2). 19 Tube selon la revendication 18, caractérisé par le fait que ladite seconde feuille ( 5) d'un élastomère adhère à la paroi interne de ladite coquille ( 6) et à la surface extérieure dudit tube ( 1). Tube selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ladite adhérence est réalisée par une colle. 21 Tube selon la revendication 20, caractérisé par le fait que ladite colle est du type époxy. 22 Tube selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite coquille ( 6) est constituée de plusieurs secteurs. 23 Tube selon l'une quelconque des revendications 13 à 22, caractérisé par le fait qu'il comporte une frette ( 7) autour de ladite coquille ( 6). 24 Tube selon l'une quelconque des revendications 13 à 23, caractérisé en ce qu'une bague de blocage ( 8) rend solidaire la coquille ( 6) de l'embout métallique ( 2) corres- pondant.