Brevet FR2512165A1 — publié le 19830304

TUYAU SOUPLE RESISTANT A DES PRESSIONS ELEVEES POUR LE TRANSPORT DE GAZ ET DE LIQUIDES CONTENANT UN GAZ La présente invention concerne un tuyau souple résistant aux pressions élevées se composent de plusieurs couches,dont le diamètre est, dans la plupart des cas, supérieur à 50 mm et qui sert au transport de gaz et de liquides contenant un gaz. Il est connu que l'évolution technique des nouveaux produits leur impose des conditions toujours nouvelles Ainsi, par exemple, du fait du développement de puits de pétrole marins, on a besoin de disposer de tuyaux souples pour canaliser le pétrole extrait (dans le tuyau souple s'écoulent les matières provenant de gisements naturels, comme du pétrole, du gaz naturel, de l'eau et différentes substances agressives comme, par exemple H 2 S) Ces tuyaux souples Adoivent présenter une struc- ture extrêmement résistante, car ils sont agressés de l'intérieur par les matières précitées sous une pression de 100 atmosphères ou plus et à la température de service du puits d'exploitation Simultanément, ils sont soumis extérieurement à l'action de l'eau de mer et ils doivent résister aux mouvements de la mer et à la pression statique de l'eau Un autre problème consiste ence que chaque puits constitue un cas particulier (les sollicitations produites à l'intérieur et à l'extérieur sont différentes). Pour cette raison, il n'est pas possible de généraliser ou de standardi- ser les caractéristiques imposées. Pour le transport de pétrole, notamment pour le transport à partir de puits de haute mer on utilise, en plus des canalisations rigides, des tuyaux flexibles Pour le transport de l'huile exempte de gaz, on a mis au point différents types de tuyaux souples Ces tuyaux souples sont très résistants à la pression et, dans des cas particuliers, ils résistent également à des forces de traction axiale (pression extérieure) Leur résistance aux sollicitations précitées est généralement établie à l'aide 12165 de deux types principaux de systèmes de couches de renforcement L'un des systèmes de renforcement se compose d'un nombre pair de couches dans les- quelles les fils ou les câbles d'acier enroulés avec un grand pas se croisent suivant un angle déterminé La résistance à des forces radiales (dans les tuyaux souples placés au fond de la mer) est augmentée par une (ou plusieurs) couche (ou couches) formée de fils enroulés avec un faible pas, de bandes profilées en acier reliées ou non reliées entre-elles ou bien de combinaisons verre-résine La résistance à des forces de traction axiale est assurée par coopération des deux systèmes de couches précités. La séparation ou l'enrobage des différentes couches de renforcement est effectuée, dans la plupart des cas, à l'aide d'une couche de caoutchouc ou de matière plastique L'âme réalisée en caoutchouc ou en matière plas- tique confère au tuyau souple l'étanchéité correspondante L'âme résiste à des influences agressives du milieu à transporter et sa résistance à la température est supérieure à la température dudit milieu En outre, le tuyau souple comporte une couche extérieure de revêtement en caoutchouc ou en matière plastique, qui protège les couches de renforcement contre l'action corrosive du milieu extérieur (air, eau, eau de mer) Des solu- tions techniques de ce genre ont été décrites dans les brevets français n' 2 210 266 et 1 417 960 ainsi que dans les brevets hongrois N O 169 115 et 172 426. Les tuyaux souples précités conviennent évidemment pour le trans- pôrt d'huile exempte de gaz, mais il s'est avéré en pratique qu'ils ne conviennent pas pour le transport d'huile contenant du gaz La raison en est que le gaz diffuse, au travers des couches étanches d'âme formées de caoutchouc et de matière plastique, et pénètre entre les éléments struc- turaux du tuyau souple en provoquant un écartement relatif desdits élé- ments et, par conséquent, une formation de cloques Ce dommage se manifeste par un renflement de la couche extérieure en matière plastique ou en ca- outchouc et, lors de la diminution de la pression intérieure, par une formation de cloquesur l'âme intérieure On a mis au point plusieurs so- lutions techniques pour éliminer l'effet perturbateur de la diffusion de gaz Ainsi, par exemple, on perfore la couche de revêtement en plusieurs endroits pour permettre l'échappement du gaz collecté en dessous Une telle solution est décrite dans le brevet français N O 2 286 331 L'incon- vénient de cette solution consiste en ce que le milieu extérieur (eau de mer, humidité) peut pénétrer par les perforations jusque dans les couches d'acier et provoquer dans celles-ci une corrosion D'après une autre 12165 solution, on établit un trajet de diffusion pour le gaz au travers des différentes couches de caoutchouc et de matière plastique de la paroi du tuyau souple en augmentant, de façon échelonnée, la perméabilité aux gaz des différentes couches à partir de l'âme Cette solution technique a été recommandée dans le brevet US no 4 120 324 L'inconvénient de cette solu- tion consiste en ce que le réglage du gradient de perméabilité est en pra- tique très difficile car la gamme des matières premières résistant aux milieux transportés est très petite D'autre part, la matière transportée se trouve généralement à une température supérieure à celle de l'environ- nement et il en résulte que, dans le tuyau souple, il s'établit un gradient de température qui diminue de l'intérieur vers l'extérieur Il est connu que la vitesse de diffusion d'un gaz croit rapidement lorsque la tempéra- ture augmente. D'autres solutions ont été décrites dans le brevet suisse N O 569 909, dans le brevet autrichien N O 331 593 et dans le brevet britannique no 1 409 096 D'après ces brevets, la diffusion au travers d'un tube d'acier est empêchée en donnant une structure ondulée à chaque couche intérieure de la paroi Un inconvénient de cette solution consiste en ce que le procédé de fabrication est technologiquement très difficile à mettre en oeuvre et que, du fait de l'ondulation de la surface intérieure, la résistance à l'écoulement du milieu transporté est fortement augmentée. L'invention a pour but d'agencer un tuyau souple du type défini ci-dessus de manière à éliminer les inconvénients précités La nouvelle solution qui a été trouvée consiste en un double système de sécurité, dans lequel est prévu dans la paroi du tuyau souple, qui se compose d'une combinaison de caoutchouc ou bien de caoutchouc-matière plastique et également de couches de renforcement résistant à une pression inté- rieure et à une pression extérieure ou bien à des forces de traction axiale, une ou plusieurs couches d'évacuation de gaz Dans cette-ou ces couches, le gaz pénétrant par diffusion peut être collecté et il peut s'échapper par les zones d'évent qui sont prévues Pour cette raison, il ne peut pas pénétrer par diffusion une quantité importante de gaz dans la paroi du tuyau souple qui est placé au-dessus de la ou des couches d'évacuation de gaz et, en outre, il n'existe pas de gaz conduisant à la formation de cloques comme dans les solutions connues Dans le tuyau souple, la couche d'évacuation de gaz peut évidemment être constituée par la structure de câbles de renforcement (auquel cas le cable est rendu capable d'évacuer un gaz), ou bien on utilise une ou plusieurs couches 2 512165 -4 incorporées additionnellement Une (ou plusieurs) couche supplémentaire est alors incorporée lorsqu'il existe entre l'âme et le câble-de renfor- cement du corps de tuyau souple, une épaisseur suffisante pour éviter, au maximum, un risque de décollement à l'intérieur de la paroi épaisse. Dans ce cas, on incorpore uneou plusieurs couches intercalaires d'évacuation de gaz dans les couches situées en-dessous du câble Une structure de câble d'évacuation de gaz est obtenue lorsque, par un choix correspon- dant des conditions de vulcanisation, on empêche la pénétration du mélange dans la structure de câble, c'est-à-dire dans les volumes intercalaires du câble constitué de fils Ainsi, la cavité se trouvant à l'intérieur du câble peut collecter le gaz et l'évacuer. La couche supplémentaire d'évacuation de gaz qui est incorporée à la structure du tuyau souple peut être formée d'un câblé textile ou bien de couches rapportées en tissu La couche textile n'est pas compacte, elle a une structure lâche comportant des intervalles et elle peut, par conséquent, servir de couche de collecte et d'évacuation du gaz Pour obtenir une couche avec intervalles (perméable au gaz), il est avantageux d'incorporer les matières textiles à l'état non caoutchouté ou bien seu- lement caoutchouté superficiellement Par l'incorporation de cette couche, on obtient une structure appelée "tube dans tube", auquel cas le tuyau sou- ple obtenu se compose effectivement de deux tuyaux souples qui sont placés étroitement l'un sur l'autre, mais qui ne sont pas liés par adhérence. La couche d'évacuation de gaz peut également être formée de câblé d'acier, lorsque son volume intérieur n'est pas rempli d'un mélange d'en- robage et possède, par conséquent, des propriétés d'évacuation de gaz. Lors de l'utilisation du câblé d'acier, on n'obtient pas une structure "tube dans tube" car le câblé d'acier est lié essentiellement par adhé- rence avec la couche de caoutchouc environnante. A l'aide de ces couches d'évacuation de gaz, on peut obtenir que les gaz pénétrant par diffusion dans les corps de tuyaux souples soient collectés dans ces couches et puissent s'écouler le long de ces couches. L'évacuation du gaz à partir desdites couches est effectué par l'inter- médiaire d'une (ou plusieurs) valves qui sont incorporées à la partie de jonction ou bien à l'aide d'un ou plusieurs canaux qui sont ménagés dans la direction longitudinale des tuyaux souples De tels canaux peu- vent, par exemple, être constitués par des fils de câblés perméables aux gaz ou bien par des tissus de structure lâche lorsqu'ils traversent les 12165 différentes couches avec une inclinaison et en assurant la liaison de la couche d'évacuation de gaz avec la surface du tuyau souple. Le problème de la décharge du gaz depuis la couche d'évacuation de gaz vers l'extérieur est résolu, conformément à la présente invention, mais il existe encore toujours un risque de formation de cloques dans le corps du tuyau souple, en-dessous de la couche d'évacuation de gaz Pour résoudre ce problème, on utilise ce qu'on appelle une couche intérieure de soutien. Pour soutenir intérieurement la structure du tuyau souple, on uti- lise un tube flexible, de préférence un flexible métallique enroulé, dont le diamètre extérieur est égal au diamètre intérieur de l'âme Ce tube flexible n'a pas besoin d'être isolé car l'étanchéité du tuyau souple est assurée par l'âme placée au-dessus Cependant, il doit résister aux agents chimiques existant dans le milieu à transporter Le tube flexible doit avoir une résistance correspondante pour pouvoir absorber des forces se manifestant à l'intérieur du tuyau souple, agissant vers l'intérieur et donnant lieu à la formation de cloques En conséquence, la partie inté- rieure du tuyau souple est fixée entre le tube flexible et les câbles en acier comme entre deux parois flexibles de blindage et, en sesendroits, il ne peut pas se produire une formation de cloques endommageant le tuyau souple. En outre, le tube flexible joue un rôle aussi bien en ce qui con- cerne la capacité d'absorption des charges axiales que la capacité de résistance à une pression extérieure Les deux sollicitations précitées diminuent le diamètre des couches de renforcement et il se produit un endommagement du tuyau souple Le tube intérieur flexible de soutien peut absorber dans une certaine mesure, à cause de sa résistance, la pression exercée sur les couches principales de renforcement et il empêche ainsi une diminution de leur diamètre Dans le cas o la grandeur des forces de flambage dépasse la résistance du tube en acier, on dispose en avant des couches de renforcement, une couche en spirales de faible pas qui ré- siste à des forces radiales Cette couche rapportée peut être formée d'un fil d'acier ou bien de fibres de verre imprégnées d'une résine époxy. L'application pratique de la solution conforme à l'invention va être expliquée en détail dans la suite en référence aux dessins 1 à 6 annexés. La caractéristique essentielle du mode de réalisation de la figure 1 consiste en ce que même les couches de renforcement 5 servent à l'éva- cuation des gaz ayant pénétré par diffusion dans la paroi du tuyau souple. On va maintenant donner les propriétés des éléments structuraux in- tervenant dans le tuyau souple, résistant à une pression interne, de la figure 1: à l'intérieur du tuyau soupleil est prévu un tube flexible fabri- qué en métal ou en matière plastique, ce tube flexible intérieur enroulé en métal étant désigné par 1 sur la figure 1 Il peut être réalisé différemment, sa propriété importante étant sa capacité de résistance à la pression interne Sur la figure, on a représenté un tube flexible 1 qui est formé par enroulement d'une bande profi- lée La fonction du tube flexible intérieur 1 est d'empêcher, dans la paroi du tuyau souple, la formation de bulles sous l'effet des gaz ayant pénétré par diffusion, dans le cas d'une baisse de pres- sion à l'intérieur du tuyau souple En outre, il joue un rôle en ce qui concerne la capacité d'absorption de charges axiales par le tuyau souple Lorsque le tuyau souple est tiré sans être sollicité par une pression interne, le diamètre des couches rapportées de renforcement 5 diminue et le tuyau souple est endommagé Le tube flexible intérieur 1 empêche la diminution de diamètre des couches de renforcement jusqu'à une limite déterminée. l'âme 3 a pour fonction d'assurer l'étanchéité aux gaz et aux li- quides Sa perméabilité au gaz est faible et elle est constituée d'un plastomére ou d'un élastomère flexible résistant à l'action chimique du milieu transporté Du fait que l'âme 3 est placée entre deux couches de faible allongement ( 1 et 5), son volume ne doit pas être modifié par un gonflement. Dans le cas d'un gonflement supérieur à 10 %, le tube flexible 1 peut flamber ou s'aplatir. à la température de fabrication, la couche de tissu 2 empêche le fluage de l'âme dans les cavités du tube flexible 1 Dans un cas contraire, la souplesse du tube flexible serait influencée défavora- blement. les couches d'enrobage 4 formées de caoutchouc séparent les couches de renforcement 5 afin d'éviter un frottement pendant le coudage. les couches de renforcement peuvent alors être utilisées pour l'é- vacuation du gaz car elles comportent une structure de câble et la totalité de leur section n'est pas remplie par la matière de la couche d'enrobage 4 sousla pression de vulcanisation utilisée. les couches principales de renforcement 5 se composent, dans la plu- part des cas, de câbles en acier, qui possèdent une résistance correspondant à une sollicitation par une pression intérieure. la structure en tissu 6 et la couche de caoutchouc 7 ont pour fonc- tion de protéger le tuyau souple contre les sollicitations exté- rieures. Sur la figure 2, on a représenté un tuyau souple qui est pourvu d'une partie de liaison 8 et d'un fourreau conique de forme filetée 9, la liaison entre les couches principales de renforcement 5 et la partie de liaison 8 étant assurée par une couche d'adhésif 10 Cette solution n'est pas seulement limitée à ce type de partie de liaison. L'âme 3 est formée d'un matériau souple ayant la plus grande im- perméabilité au gaz, mais cependant une quantité déterminée de gaz peut diffuser, malgré tout, au travers de tout matériau Le gaz ayant ainsi diffusé estcanalisé par les cavités des couches principales de renforce- ment 5 dans la chambre 11 contenant une couche collectrice de gaz et qui est située dans la partie de liaison 8. La couche collectrice de gaz de la chambre Il peut, par exemple, être agencée sous la forme d'un tissu brut ou bien d'un câblé d'acier non caoutchouté Le gaz s'échappe de la chambre par un clapet anti-retour 12 Le mode de réalisation le plus simple du clapet anti-retour 12 est obtenu en utilisant une bague torique le long de la périphérie extérieure. La figure 3 représente un autre mode de réalisation qui concerne un tuyau souple résistant à une pression interne et à une force de trac- tion axiale La résistance à des forces de traction est établie grâce à des couches 14 enroulées en forme de spirales à petits pas tandis que la résistance à une pression interne est établie par les couches principales de renforcement 5 La couche d'évacuation de gaz 13 est pla- cée au-dessus de l'âme résistant aux liquides et aux gaz Elle se com- pose d'un tissu brut non caoutchouté ou bien d'un tissu câblé dont la structure n'est pas compacte mais comporte des intervalles et constitue une couche d'évacuation de gaz Le gaz s'écoule au travers de cette struc- ture jusqu'à l'ouverture d'évent ou bien jusqu'à la partie de liaison non visible sur cette figure L'incorporation de la couche d'évacuation de gaz 13 donne lieu à une structure qu'on appelle "tube dans tube" On obtient un tube flexible qui est composé de deux parties non reliées entre elles par adhérence, la partie intérieure se composant du tube flexible intérieur 1 et de l'âme 3, tandis que la partie extérieure se compose des autres éléments de construction La couche d'évacuation 13 peut être fabriquée à partir d'un câblé d'acier Ses volumes intérieurs 12165 ne sont pas remplis d'un caoutchouc d'enrobage et elle convient, par conséquent, pour l'évacuation du gaz Dans ce cas, on n'obtient cependant pas une structure "tube dans tube", car il peut s'établir entre le câblé d'acier et les couches de caoutchouc environnantes, une liaison par adhé- rence. Sur la figure 4, la structure de tuyau souple de la figure 3, est pourvue d'une partie de liaison 8 et d'une couche en spirales constituée de verre imprégné de résine 14 Dans ce cas, les gaz s'échappent de la partie de liaison par le clapet anti-retour 12 Ce clapet empêche la péné- tration de milieux extérieurs comme de l'eau de mer Avant l'échappement, le gaz se rassemble dans la chambre 11, qui est située dans un anneau métallique perforé 15. Sur les figures 5 et 6, on a représenté des modes de réalisation du tuyau souple selon l'invention qui sont utilisés dans des cas o l'a- vacuation de gaz ne s'effectue pas, ou pas totalement, par la partie de liaison Dans ce cas, on dispose entre la couche principale de renforce- ment 5 ou la couche d'évacuation de gaz 13 et la surface du tuyau souple, des canaux qui peuvent évacuer les gaz collectés A cet effet, on peut utiliser des câblés textiles non caoutchoutés ou bien des tissus à struc- ture lâche et à câblés d'acier et on les fait passer en oblique au tra- vers des différentes couches Pour empêcher la pénétration du milieu extérieur (par exemple l'eau de mer), les câblés précités ou les tissus textiles sont imprégnés d'un matériau hydrofuge. La figure 5 représente un exemple o le tissu inséré en oblique ou bien le câblé inséré en oblique 16 assure la liaison des couches prin- cipales de renforcement 5 et de la surface du tuyau souple et évacue les gaz collectés dans les couches principales de renforcement 5. Les gaz collectés dans la structure de câble 5 sont recueillis dans la couche étroite et perméable 17 et les gaz s'échappent par les canaux ménagés en oblique Le manchon étroit 17 ainsi famé peut être réa- lisé d'une manière semblable à partir d'un tissu non caoutchouté Pour former un canal de décharge, on peut prévoir des trous inclinés en obli- que, des ouvertures et des clapets anti-retour qui sont fermés par la pression extérieure et qui sont ouverts par la pression intérieure existante Les solutions précitées concernant la décharge des gaz peuvent être utilisées en commun ou séparément. La figure 6 représente les canaux en oblique 16 qui sont avanta- geusement formés à partir d'un câblé et qui assurent la liaison de la couche intérieure d'évacuation de gaz 13 avec la surface du tuyau souple. 12165 REVENDICATIONS 1. Structure de tuyau souple à plusieurs couches pour le trans- port de gaz et de liquides contenant des gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte en plus des couches connues, un autre élément de soutien 1 fa- briqué à partir d'un tube flexible, avantageusement à partir d'un flexible métallique enroulé, le cas échéant une couche textile 2 empêchant la pénétration de la matière de l'âme dans l'élément de soutien 1 fabriqué à partir d'un tube métallique flexible, ainsi qu'une ou plusieurs couches de collecte et d'évacuation des gaz 5, 15 pourvues d'intervalles et orien- tées parallèlement à l'axe du tuyau souple, le cas échéant une ou plusieurs couches ou bien un ou plusieurs canaux 16 comportant des intervalles, traversant en oblique les couches précitées de manière à évacuer les gaz collectés dans la partie de liaison 8 et/ou vers la surface du tuyau sou- ple, et une ou plusieurs ouvertures ménagées dans la partie de liaison et/ ou sur la surface du tuyau souple pour l'échappement des gaz. 2. Structure de tuyau souple selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'il est prévu une âme étanche 3 placée entre l'élément inté- rieur de soutien 1 fabriqué à partir d'un tube métallique flexible et les couches de renforcement 5, le gonflement de ladite âme sous l'action de la matière canalisée dans le tuyau souple étant nul ou au maximum de l'ordre de 10 %. 3. Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture d'évacuation de gaz est agencée à la façon d'un système à clapet anti-retour. 4 Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche d'évacuation de gaz 13 est formée d'un textile caoutchouté entourant l'âme 3 sur toute sa périphérie. 5. Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche d'évacuation de gaz 13 entourant l'âme 3 sur toute sa périphérie est formée de câblés d'acier. 6. Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche d'évacuation de gaz est constituée par la couche principale de renforcement 5. 7. Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un anneau en textile non caoutchouté 17 est placé sur les couches principales de renforcement 5 ou bien entre les couches principales de renforcement. 8. Structure de tuyau souple selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que les couches principales de renforcement 5, 12165 ou bien la ou les couches supplémentaires d'évacuation de gaz 13, sont reliées à l'aide d'un matériau perméable au gaz, avantageusement un tissu 16 enroulé en oblique au travers de la couche de revêtement 7 formant la surface extérieure du tuyau souple. 9 Structure de tuyau souple selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les couches principales de renforcement 5 ou bien la ou les couches supplémentaires d'évacuation de gaz 13 sont reliées à la surface extérieure du tuyau souple par des canaux formés de fils en câblés textiles perméables au gaz 16 traversant la couche de revête- ment 7.