Brevet FR2590646A1 — publié le 19870529

CANALISATION FLEXIBLE PERMETTANT NOTAMMENT DE LIMITER L'INTRUSION DE LA GAINE INTERNE DANS DES ARMURES. L'invention concerne une canalisation flexible permettant notamment de limiter L'intrusion de la gaine interne en matériaux polymères dans des armures. Elle s'applique particulièrement, mais sans que cela soit limitatif, aux tubes flexibles de transport de fluides pétroliers, notamment dans des circonstances où l'on rencontre de fortes contraintes dynamiques en présence d'une pression interne élevée. Par application dynamique, on entend la possibilité pour un flexible sous pression ou sous traction de subir des flexions alternées ou ondulées. De manière générale, une canalisation flexible peut comprendre au-dessus d'une gaine interne, soit des enroulements d'armures assurant à la fois la tenue aux efforts longitudinaux et aux effets de la pression interne, soit d'une part des enroulements d'armures résistant à la pression interne et d'autre part des enroulements d'armure résistant à la traction. Pour assurer la flexibilité des canalisations, il doit exister un jeu entre les différentes spires des couches d'armage, ce jeu définissant le rayon minimal de courbure admissible par une telle canalisation. Dans tous les cas, sous l'effet de la pression interne, la gaine interne est plaquée contre la couche d'armure sus-jacente et L'intrusion de matière constituant la gaine interne peut se manifester dans les intervalles entre les spires de ladite armure. Cette intrusion peut se produire de manière limitée dans des conditions d'utilisation peu sévères, mais en raison de la nature viscoétastique de la matière constituant en général la gaine, le phénomène est susceptible de s'accentuer avec le temps. Dans les cas les plus sévères et notamment sous pression et températures élevées (cette dernière diminuant la rigidité de la gaine), suivant la nature et L'épaisseur de la gaine, L'écoulement de la matière constituant cette gaine peut remplir les jeux ou espaces entre armures, limitant ainsi la flexibilité de la canalisation et provoquant éventuellement la rupture de la gaine, par exemple par pincement lors du mouvement relatif des armures. Les solutions antérieures consistaient à adapter en fonction des contraintes imposées et de la nature du fluide transporté, la nature du matériau de la gaine interne et son épaisseur que l'on choisit en fonction de la géométrie des armures (jeux entre spires) de manière que L'intrusion de la matière dans Les jeux reste limitée pendant la durée de service de la canalisation flexible. La gaine interne devait répondre simultanément dans ces solutions antérieures aux deux critères suivants : - tenue au vieillissement chimique au contact du fluide transporté, et - résistance mécanique à l'intrusion dans les jeux entre spires d'armures. On était alors conduit, soit à l'utilisation de matériaux plus performants mécaniquement et thermiquement et possédant également une tenue chimique au moins équivaLente d'où un renchérissement des coûts, soit à l'adoption d'une épaisseur plus importante du matériau constituant la gaine, quand ce matériau résistait chimiquement mais non mécaniquement, ce qui ne manquait pas aussi d'augmenter les coûts de production et d'accroître la raideur globale de la canalisation. Par exemple, dans une canalisation transportant un fluide non agressif vis-à-vis du polyéthylène, mais à une température qui aurait entraîné L'intrusion de ce dernier dans l'armure sus-jacente sous l'influence de la pression interne du fluide, le polyéthytène doit actuellement être remplacé par un polyamide dont le coût matière est cinq à dix fois supérieur. Par ailleurs, il est connu par la demande de brevet publiée PCT W0-82/01.159 d'enrouler sous forte tension autour d'un corps creux tel qu'une canalisation en acier, suivant des spires sensiblement jointives un profilé flexible que l'on fixe ensuite sur cette canalisation, dans le but de la renforcer extérieurement. De même, le brevet US-3.880.195 décrit une canalisation métallique autour de laquelle est enroulée une bande en acier martensitique ayant sensiblement te même module d'élasticité que le matériau constituant La canalisation. En -assurant la résistance mécanique à L'intrusion dans les jeux ou intervalles entre les spires des armures, la présente invention permet de dissocier les deux contraintes (tenues chimique et mécanique: auxquelles doit résister simultanément la gaine et de répondre au probLème posé, tout en maintenant la flexibilité de la canalisation. Plus particulièrement, la présente invention concerne une canalisation flexible utilisable pour le transport de fluides comportant une gaine interne d'étanchéité souple et au moins une couche d'armures de renfort comportant une pluralité de spires non jointives disposées helicoidalement avec une direction d'enroulement présentant un angLe par rapport à L'axe de la canalisation, caractérisé en ce que la canalisation comporte au moins une couche d'un ruban possédant dans sa direction d'enroulement un module d'élasticité élevé et supérieur à celui de la gaine interne, ce ruban étant enroulé en hélice autour de ladite gaine interne de manière à la recouvrir sensiblement sur toute sa surface, la direction d'enroulement du ruban faisant un angle a différent de zéro par rapport à La direction d'enroulement des spires de L'armure de renfort. De préférence, le module d'élasticité du ruban sera inférieur à celui de L'acier. Le module d'élasticité d'une gaine en plastique est sensiblement de L'ordre de 1.000ma tandis que celui de L'acier est sensiblement de 200.000MPa, alors que des matériaux composites ci-dessous ont un module sensiblement égal à 30.000MPa lorsqu'on tient compte de leur proportion volumique de fibres dans la matrice. Les spires non jointives de l'armure de renfort définissent une pluralité d'espaces ou jeux entre spires disposés selon la direction de l'enroulement de ces spires. L'invention présente notamment comme avantage la possibiLité de pouvoir utiliser, comme gaine interne d'étanchéité, des matériaux chimiquement résistants qui n'auraient pu jusqu'à présent être utilisés dans ces conditions en raison de leur faible résistance à L'intrusion. Elle permet également de réduire l'épaisseur de la gaine d'étanchéité que l'on avait jusqu'alors tendance à surévaluer de façon à minimiser les risques de rupture et par conséquent, d'accro#tre la flexibiLité de la canalisation. L'utilisation d'un dispositif selon L'invention permet aussi d'augmenter les températures et pression d'utilisations d'un flexible donné, lorsque ces limites d'utilisations sont liées au phénomène d'intrusion décrit ci-dessus. L'invention permet par ailleurs d'augmenter les pressions et températures d'utilisation des flexibles sous contraintes dynamiques, en évitant l'intrusion de la gaine dans les intervalles libres des armures qui pouvait être la source de détérioration de la gaine lors du mouvement relatif des armures. Selon un mode de réalisation, L'angle ad'enroulement du ruban est compris entre 150 et 900 par rapport à la direction d'enroulement des spires de l'armure. On a obtenu de bons résultats lorsque ce même angle ~ est sensiblement égal à 900, L'espace mesuré dans le sens de L'enroulement étant alors minimal. Dans ces conditions, quel que soit le matériau du ruban que l'on choisit, on utilise au mieux sa rigidité pour éviter L'intrusion de la gaine interne dans les espaces entre spires de L'armure de renfort. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour ne pas trop rigidifier le flexible, on enroule la couche de ruban suivant un angle Bayant une valeur de 50 à 1300 par rapport à l'axe de la canalisation et, de façon préférée, suivant un angle sensiblement égal à 900, tout en faisant satisfaire au ruban la première condition d'enroulement sous un angle a, par rapport à la direction d'enroulement des spires de L'armure de renfort que l'on a définie ci- dessus. Selon un mode particulièrement avantageux, on s'arrangera pour que la couche du ruban soit enroulée avec un pas contraire à celui des spires de L'armure de renfort. Cette configuration présente L'avantage de donner un angle ~ plus grand avec le même angle 0, ce qui permet une utilisation plus rentable du renfort surtout dans le cas d'un renfort fibreux. Il n'est pas nécessaire de contraindre la canalisation pendant L'enroulement du ruban. Ce dernier sera effectué avec une mise en tension peu élevée et par exemple sous une tension qui aboutit à 1 à 10 X de la contrainte de rupture du ruban. Le ruban présente un module d'élasticité élevé, par exemple au moins égal à 10.000MPa et donc supérieur à celui d'une gaine, par exemple en caoutchouc ou en thermoplastique, et éventuellement une épaisseur faibLe de manière notamment à limiter l'accroissement de poids et de diamètre du flexible. De plus, ce module reste élevé aux températures d'utilisation du flexible. On a obtenu d'excellents résultats avec des rubans ou profilés composites comprenant des fibres sensiblement unidirectionnelles s'étendant dans la direction de L'enroulement que l'on enrobe dans une résine synthétique et de préférence dans une résine au moins en partie thermoplastique, que l'on peut éventuellement fixer par exemple par collage ou thermofusion. Avantageusement, le module transverse des fibres et de la résine est faible, de sorte que la flexibilité de la canalisation reste intacte. Les fibres peuvent être de préférence longues ou continues mais elles peuvent être utilisées même si elles sont courtes dans la mesure où Leur longueur est plusieurs fois supérieure aux espaces créés entre les spires des armures. Les fibres utilisabLes ont été décrites ainsi que leur fabrication dans la demande de brevet publiée PCT WO-83#01.755. Elles résistent très bien à la fatigue et sont d'origine minérale ou synthétique et choisies parmi les fibres de verre E, R ou S, les fibres de carbone, d'amiante, de bore, de carbure de silicium, de polyéthylène de haute masse moléculaire, de polyamide aromatique et en général toute fibre ayant un point de ramollissement supérieur à la température de fusion de la résine et un module d'élasticité élevé. Les résines employées comprennent toutes les résines thermoplastiques pouvant être conditionnées sous forme de fines particules. Leur souplesse permet la déformation transversale du profilé afin de suivre les déformations imposées par la canalisation flexible. Elles peuvent être choisies dans le groupe comprenant des thermoplastiques, thermodurcissables ou élastomères. La teneur volumique en fibre dans ce type de composite est comprise suivant les cas entre 20 et 60 %. Par exemple, ce type de profilé composite est commercialisé par la société SPIFLEX (marque déposée) ou sous Le nom de FIT (marque déposée) par la société ATO. Ces profilés composites de grandes longueurs sont disponibles sous forme de bobines afin de permettre leur enroulement sur la gaine interne d'étanchéité de la canalisation flexible. Cet enroulement est effectué à L'aide d'une machine type armeuse ou rubanneuse, telle que celle utilisée lors de la mise en place des armures de renfort des conduites flexibles armées classiques. Cette machine pourra en plus être équipée d'un dispositif de soudage (par exemple type à gaz chaud ou à flamme) pour éventuellement réaliser la liaison entre profilés composites et gaine plastique ou entre profilés composites. L'épaisseur totale du matériau composite déposé sur la gaine sera typiquement comprise entre 0,1 et 2 mm et sera fonction des paramètres suivants : pression interne et température, jeu entre Les spires d'armures, caractéristiques des matériaux (gaine et composite), et choix de l'angle d'enroulement du composite. Dans le cas de matériaux composites unidirectionnels, les spires peuvent être jointives ou superposées, collées ou soudées entre elles au moins partiellement. L'invention sera mieux comprise au vu des figures ci-annexées illustrant des exemples de réalisation et parmi Lesquelles : - la figure 1 montre L'intrusion de la gaine d'étanchéité entre les spires de L'armure de renfort, - les figures 2 et 2A illustrent L'enroulement anti-intrusion selon l'invention, - La figure 3 représente un autre mode de réalisation selon L'invention, - la figure 4 montre une variante de L'enroulement selon l'invention, et - la figure 5 représente un mode de réalisation particulièrement avantageux de flexible selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une vue longitudinale selon un axe AA' d'une canalisation flexible ou flexible 1 comportant une gaine interne souple d'étanchéité 2 qui, sous L'influence de La pression interne régnant à L'intérieur du flexible a tendance à provoquer des intrusions 4 dans L'espace ou jeu 5 entre les spires non jointives 3a, 3b, d'une armure de renfort 3 qui est destinée soit à résister à la pression interne, soit à résister principalement à la traction si le flexible est soumis à de faibles contraintes de pression interne. Sur la figure 2, on montre L'enroulement selon L'invention d'un ruban 6 autour de la gaine interne 2. Les spires 3 d'une armure 7 de résistance à la composante circonférencielle de la pression interne (dite armure de pression) sont représentées enroulées hélicoîdalement sous un angle# ff proche de 900 par rapport à l'axe AA' et déterminent un espace 5 entre spires. Pour éviter l'intrusion de la gaine dans cet espace 5, le ruban est enroulé en hélice sur la gaine 2 suivant un angle a différent de zéro par rapport à la direction d'enroulement des spires 3 de façon à recouvrir totalement la gaine. Cet enroulement a été exécuté avec un pas contraire selon un mode particulièrement avantageux, par rapport à celui des spires de L'armure de pression. La figure 2A montre un exemple d'enroulement sous un angle X, mais avec un pas dans la même direction que celle des spires de l'armure 7. Sur la figure 3, lorsqu'on a affaire à un flexible subissant des contraintes de pression peu élevées, les armures de traction 8 assurent à la fois la résistance à la pression interne et à la traction et sont enroulées, pour ce faire, sous un angle T bien plus faible (# 550) que dans le cas précédent (Fig. 2). On montre un exemple d'enroulement de ruban très avantageux, en hélice, où L'angle a est sensiblement égal à 900 par rapport à la direction d'enroulement des spires 3 de L'armure 8. L'enroulement du ruban est particulièrement efficace contre L'intrusion de La gaine entre les espaces entre spires lorsqu'il est effectué à la fois suivant un angle a précisé ci-dessus et suivant un angle f3 de 50 à 1300 par rapport à l'axe de La canalisation (Figs 2, 2A et 4). La figure 4 illustre une variante de L'enroulement selon L'invention où les spires du ruban 6 ne sont plus jointives mais superposées. La largeur de La zone de recouvrement au niveau des bords de deux spires voisines est telle que la gaine 2 reste toujours recouverte lors des mouvements de flexion au cours de la manutention par exemple. Dans tous Les cas de figure, la tension d'enroulement du ruban a été faible. Un exemple de réalisation particulièrement intéressant est décrit dans la figure 5. La canalisation flexible susceptible de résister à une pression de l'ordre de 1.000 bars dans des applications dynamiques selon l'invention comprend, de l'intérieur vers l'extérieur : - un feuillard métallique interne 9 dont le diamètre intérieur est de 100 mm environ, - une gaine d'étanchéité interne 2 déposée par extrusion sur le feuillard et d'épaisseur moyenne 6 mm, réalisée en polyéthylène, haute densité, - une couche d'épaisseur 0,5 mm de ruban ou profilé 6 composite à matrice polyéthylène renforcée de fibres de verre.Cette couche est réalisée par l'enrouLement jointif de quatre rubans de 35 mm de large et d'épaisseur 0,5 mm sous une tension de 30daN correspondant environ à 2 X de la contrainte de rupture du ruban et suivant un pas contraire à celui de l'armure de pression sus-jacente sensiblement égal dans L'exemple de réalisation à 140 mm. L'angle d'enroulement a défini par la direction d'enroulement du ruban et la direction d'enroulement des spires de l'armure de renfort est sensiblement égal à 310.Par ailleurs, le ruban composite est enroulé de telle façon qu'il détermine aussi un angle p défini par sa direction d'enroulement et l'axe du flexible, sensiblement égal à 600 pour maintenir sa flexibilité, - une couche métaLlique d'armure de la pression 7 enroulée en hélice sous un angle Y défini à partir de la direction de L'enroulement et l'axe de la canalisation peu inférieur à 900. Elle est constituée de spires non jointives de 9,5 mm de largeur et de 6,2 mm d'épaisseur agrafées les unes dans les autres tout en laissant un espace 5 sensiblement égal à 1,5 mm. - une armure de résistance à la traction 8, par exemple en acier comprenant deux couches à enroulement hélicoidal inversé constitué de spires non jointives de 5 mm de largeur et de 2 mm d'épaisseur. L'angle d'enroulement est plus faible que celui de L'armure de résistance à la pression et sensiblement égal à 350, - une gaine plastique externe 10 en polyamide de 140,5 mm de diamètre intérieur qui assure la protection de l'ensemble contre le milieu extérieur et aide au maintien des structures métalliques sous jacentes. Dans cet exemple de réalisation les quatre rubans composites 6 à matrice polyéthylène sont liés à la gaine polyéthylène 2 sous-jacente lors de leur pose à l'aide de quatre dispositifs à chalumeau à flamme non oxydante qui provoquent une fusion superficielle du polyéthylène au moment de la mise en contact du ruban avec la gaine. REVENDICATIONS 1. - Canalisation flexible utilisable pour le transport de fluides comportant une gaine interne (2) d'étanchéité souple et au moins une armure de renfort (7) comportant une pluralité de spires (3) non jointives disposées hélicoidalement avec une direction d'enroulement présentant un angle T par rapport à l'axe de La canalisation, caractérisée en ce que La canalisation comporte au moins une couche d'un ruban (6) possédant dans sa direction d'enroulement un module d'élasticité élevé et supérieur à celui de la gaine interne (2), ce ruban étant enroulé en hélice autour de Ladite gaine interne (2) de manière à La recouvrir sensiblement sur toute sa surface et la direction d'enroulement du ruban faisant un angle différent de zéro par rapport à La direction d'enroulement des spires (3) de L'armure de renfort (7). 2. - Canalisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que L'angle ~ d'enroulement du ruban est compris entre 150 et 900 par rapport à la direction d'enroulement des spires. 3. - Canalisation selon L'une des revendication 1 à 2, caractérisée en ce que l'angle a est sensiblement égal à 900 par rapport à la direction d'enroulement des spires. 4. - Canalisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le ruban est enroulé suivant un angle p de 50 à 1300 par rapport à l'axe de La canalisation. 5. - Canalisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le ruban est enroulé suivant un angle f3 sensiblement égal à 900 par rapport à l'axe de la canalisation. 6. - Canalisation selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le ruban est enroulé avec un pas contraire à celui des spires de L'armure de renfort. 7. - Canalisation selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le ruban utilisé comprend des fibres enrobées dans une résine synthétique, lesdites fibres étant sensiblement unidirectionnelles et s'étendant dans la direction de Leur enroulement. 8. - Canalisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les fibres sont d'origine minérale ou synthétique et choisies parmi les fibres de verre E, R ou S, d'amiante, de bore, de carbone, de carbure de silicium, de polyamide aromatique et de polyoléfine de haute masse moléculaire. 9. - Canalisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la résine synthétique est une résine thermoplastique. 10. - Canalisation selon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le ruban est fixé par collage ou soudage sur la gaine interne.