Brevet FR2598713A1 — publié le 19871120

L'invention concerne un nouveau matériau de remplissage et de flottabilité, son procédé de fabrication, ainsi que des ensembles tubulaires incorporant ce matériau. Un secteur technique auquel l'invention est particulièrement 5 applicable est celui des matériaux de flottabilité intégrés dans les assemblages de câbles et/ou tubes de grands diamètres et utilisés dans les applications pétrolières sous marines, en particulier dans les liaisons fond-surface pour des profondeurs d'eau supérieures à lOOm. L'assemblage de ces tubes ou câbles de grands diamètres permet de limiter les problèmes d'encombrement liés à l'ancrage, en particulier sur une plate forme pétrolière et également de mieux contrôler les phénomènes hydrodynamiques liés aux courants marins qui 15 peuvent provoquer des enchevêtrements des câbles ou tubes flexibles s'ils sont posés isolément. Par contre le fait d'assembler ces câbles ou tubes flexibles peut faire apparaître un problème de charge ou de tension au point d'ancrage lorsque le poids de l'assemblage est trop important. Par tubes flexibles on entend des tubes réalisés par 20 assemblage d'une ou plusieurs couches en matière plastique ou caoutchouc, éventuellement renforcé de fils métalliques (ou fibres synthétiques), destinées à assurer l'étanchéité aux fluides internes ou externes et à assurer la tenue des tubes en tension longitudinale. 30 -2 - De tels tubes flexibles sont fabriqués et commercialisés par exemple par la société COFLEXIP. Le poids apparent de ces tubes pris isolément dans l'eau et plein d'eau peut varier de 10 à 200 kg par mètre, selon la structure du tube et la nature des armures de pression (métalliques ou composites). L'assemblage de ces tubes flexibles conduit à des poids apparents dans l'eau plein d'eau qui peuvent être très élevés selon la taille et le poids de chacun des tubes. L'assemblage est réalisé par toronnage des tubes et/ou câbles avec un pas de 5 à 10 m. La présente invention est relative à la mise en place d'un nouveau matériau pour le remplissage des volumes vides de l'assemblage des câbles et ou tubes flexibles. Ce nouveau matériau constitué de 20 à 50% en volume d'une charge creuse d'allègement, minérale ou organique, résistant à la compression hydrostatique et présentant une faible reprise en eau sous des pressions de l'ordre de 10 à 100 bar, et de 80 à 50% en volume d'un matériau constitué d'au moins 80% en poids d'un homo ou copolymère polyoléfinique ou polydioléfinique thermoplastique, présente l'avantage d'incorporer dans le faisceau lui-même, lors de la fabrication en usine ou de l'assemblage, une partie de la flottabilité nécessaire au faisceau. Il permet donc de limiter la flottabilité extérieure au faisceau qui est à mettre en place lors de la pose du faisceau en mer. Les caractéristiques de ce matériau de remplissage sont donc d'assurer une partie de la flottabilité, même en cas d'endommagement de la gaine externe du faisceau qui est toujours possible dans les outillages de manutention du faisceau lors de la fabrication ou de la pose en mer. Ceci est obtenu grâce à une densité comprise entre 0,65 et 0,85 et une absorption d'eau limitée à quelques pour cent en poids sous pression hydrostatique supérieure à 2598 7 13 - 3 bar. d'avoir des propriétés mécaniques (en particulier élasticité et résistance à la pression hydrostatique et uniaxiale) compatibles avec l'application envisagée. En effet lors de la fabrication les faisceaux sont stockés sur des bobines dont le rayon est tel que des 5 déformations de 5% sont induites dans le matériau de remplissage. De plus lors des manipulations au cours des opérations de fabrication ou de pose les faisceaux passent dans des trichenilles de tirage ou de maintien. La géométrie des patins de ces trichenilles et les forces nécessaires au tirage sont telles que des pressions uniaxiales de 10 l'ordre de 50 bar s'exercent sur le matériau de remplissage. Le problème de l'intégration de la flottabilité au sein d'un assemblage flexible de câbles et tubes eux mêmes flexibles, pour des profondeurs d'eau supérieures à 100 mètres, ne semble pas avoir été 15 réellement abordé. Les solutions antérieures s'appliquent généralement à des tubes ou câbles pris isolément et consistent dans certain cas à fixer sur le tube ou le câble des blocs de flottabilité réalisés soit en 20 mousse syntactique (voir par exemple le brevet US 4 255 524), soit en matériau expansé rigide. Ces deux types de matériaux sont rigides et ne peuvent donc s'intégrer au sein même de l'assemblage flexible lors de la fabrication et surtout du stockage sur bobine de l'assemblage flexible. Par ailleurs, outre leur coût élevé, la mise en place sur 25 l'assemblage des blocs rigides de flottabilité ralentit les opérations d'immersion. Il est donc intéressant d'intégrer lors de la fabrication de l'assemblage une partie de la flottabilité, pour limiter au maximum la perte de temps liée à la fixation des blocs de flottabilité externe lors des opérations de pose en mer. 30 Pour des canalisations prises isolément des solutions consistant à déposer par injection des matériaux plastiques expansés ont également été proposées pour assurer l'isolation thermique (par exemple, de la mousse polyuréthane selon le brevet DE 3110503). î -4 - 10 15 30 Ce type de matériau présente généralement une élasticité et une densité très intéressantes, mais le compromis nécessaire entre l'élasticité et la résistance à la compression uniaxiale et hydrostatique les situe très défavorablement par rapport au matériau selon l'invention décrit ci-après. Une autre proposition dans le même domaine consiste à enrouler après usinage des feuilles de PVC expansé rigide autour de la conduite prise isolément (FR 2 538 077). L'élasticité et l'étanchéité nécessaires peuvent éventuellement être assurées en intercalant entre des blocs ou billes de PVC expansé du caoutchouc allègé de microbilles de verre creuses (FR 2 557 671). Ces solutions présentent l'inconvénient majeur de nécessiter des opérations de mise en place très lourdes, puisqu'elles imposent un usinage préalable des blocs PVC et une préformation des modules de flottabilité à intégrer lors de l'assemblage des tubes ou câbles constituant le faisceau. Une proposition relative à l'isolation des câbles électriques a par ailleurs revendiqué la possibilité de déposer une couche constituée d'un matériau thermoplastique avec une charge de microsphères creuses (US 4 273 806). Selon la technique décrite dans ce brevet antérieur, il est nécessaire de réaliser un mélange préalable de la résine thermoplastique sous forme de granulé ou de poudre et des microbilles de verre à une température supérieure à la température de ramollissement de la résine, ce mélange étant effectué dans un mélangeur BRANBURY de façon à préparer un mélange homogène qui est alors granulé sans casse des microsphères et extrudé ou injecté à des températures très élevées (300 C pour du polypropylène dans les exemples 1 et 2 du brevet US antérieur). Toutes les solutions précédemment citées s'appliquent à l'isolation thermique ou électrique de câbles ou de tubes pris isolément. Ces solutions n'associent jamais une possibilité de mise en oeuvre en continu et des caractéristiques compatibles avec une utilisation en tant que matériau de flottabilité utilisable jusqu'à des profondeurs d'eau de 1000lm dans des assemblages de tubes ou 2598 7 13 -5 câbles flexibles. Au contraire, la présente invention permet d'associer dans un même matériau une mise en oeuvre en continu par simple extrusion précédée d'une étape de mélangeage de poudres et des caractéristiques 5 mécaniques et physico-chimiques compatibles avec les conditions de manutention et d'utilisation des assemblages de tubes flexibles en faisceau. Après mise en oeuvre le matériau selon l'invention présente 10 une densité comprise entre 0,65 et 0,85, une élasticité supérieure à % de déformation, une résistance à la compression uniaxiale au moins égale à 60 bar et une absorption d'eau sous une pression de 50 bar inférieure à 5% poids. L'invention est illustrée par les figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement un assemblage de tubes flexibles, - la figure 2 est une section droite selon S-S d'une structure 20 tubulaire telle que celle représentée à la figure 1, - la figure 3 illustre une structure plus complexe incluant quatre tubes flexibles et, - la figure 4 illustre schématiquement un procédé de fabrication d'un assemblage de tubes flexibles incorporant le matériau selon 25 l'invention. La figure 1 représente schématiquement un assemblage de tubes flexibles (1) et (2) incorporant le matériau de remplissage et de flottabilité selon l'invention (A). Ce matériau peut être déposé 30 soit de manière à enrober totalement les tubes (cas de la figure 1) soit de manière à seulement combler les volumes compris entre les tubes. L'ensemble est recouvert par une gaine thermoplastique externe (B). La figure 2 est une vue en section droite selon S-S d'une -6 structure tubulaire telle que celle présentée à la figure 1. Cette figure montre un assemblage de trois tubes flexibles (1) de diamètre 1,5 pouces et de trois tubes flexibles (2) de diamètre 4 pouces. Cet assemblage est recouvert du matériau de l'invention (A) 5 et d'une gaine thermoplastique externe (B). Par ailleurs, les volumes tels que (C) et (D) ne sont remplis d'aucun matériau. La figure 3 illustre une structure plus complexe incluant quatre tubes flexibles (2) de diamètre 1 pouce, deux tubes flexibles O10 (1) de diamètre 4 pouces et deux ombilicaux hydrauliques (3). Cet assemblage est recouvert du matériau selon l'invention (A) et d'une gaine externe en matériau thermoplastique (B). De même que dans la D; structure précédente, les volumes (C) sont laissés vides; au contraire, dans le but d'assurer la tenue de l'assemblage le volume 15 (D) est occupé par un noyau en matériau selon la présente invention ou constitué de tout autre matériau thermoplastique. La figure 4 illustre schématiquement un procédé de fabrication d'un assemblage de tubes flexibles incorporant le 20 matériau selon l'invention. Ce procédé de fabrication d'une structure en faisceau incorporant le matériau de la présente invention comprend les étapes suivantes: 1L'assemblage et le toronnage (10) des tubes flexibles et/ou câbles (1), (2) à associer au sein de la structure flexible. 2- Le mélangeage du matériau thermoplastique (11) et des microsphères d'allègement (12) dans un mélangeur (13) du type mélangeur à fût. 3- L'extrusion-bourrage (14) du matériau de la présente invention sur l'assemblage flexible défini à l'étape 1. 4- Le passage de l'assemblage recouvert du matériau selon l'invention dans un bac de calibration - refroidissement (15). - Le gainage du faisceau obtenu à la suite de l'étape 4 par un 35 matériau thermoplastique (16) au travers de l'extrudeuse (17). - 7 6- La réception du faisceau flexible sur la bobine de stockage (18). Par résine thermoplastique on entend des matériaux constitués d'au moins 80% en poids d'homopolymères ou copolymères à base d'éthylène ou de propylène ayant une densité comprise entre 0,90 5 et 0,94, contenant éventuellement tous les additifs spécifiques à ce type de matériau (antioxydant, anti UV,...). La répartition granulométrique sera telle que 80% en poids des particules seront inférieures à lmm et que la taille moyenne des particules sera comprise entre 200 et 600p. Par microsphères de verre creuses on entend soit des microsphères telles que celles fabriquées et commercialisées par les Sociétés EMERSON et CUMING, 3M ou GLAVERBELL, soit des microballons d'origine naturelle commercialisées sous le nom de "cendres volantes" 15 et qui proviennent d'un tri des suies récupérées dans les dépoussiéreurs des cheminées des centrales thermiques fonctionnant au charbon pulvérisé. Selon ce mode préféré de réalisation de l'invention les microsphères creuses ont la composition suivante: SiO2: 61% AI203 25% Fe203: 3,3% CaO: 0,2% K20: 3,4% MgO: 1,7% indosé: 5,4% leur densité vraie est de l'ordre de 0,68 et leur densité apparente de 0,42. La répartition granulométrique de ces microsphères est la suivante: refus cumulé à 147 t = 18% fi' " " 104 = 61% " " " 74 = 77% passant à 74t = 23% On réalise un mélange dans un mélangeur dit "à fnt" de la quantité voulue de poudre de polyéthylène ou autre homo - ou copolymère polyoléfinique ayant les caractéristiques enoncees ci-dessus et de la quantité correspondante de cendres volantes. Ce mélange de poudres est réalisé à température ambiante en quelques 35 minutes et ne présente pas de phénomène de ségrégation au stockage. 10 15 20 25 -8 Le mélange obtenu est directement introduit dans la trémie d'une extrudeuse équipée d'une vis à faible taux de compression et d'une filière en tête d'équerre permettant l'extrusion bourrage du matériau de remplissage tel que défini précédemment aux températures usuelles de mise en oeuvre des thermoplastiques utilisés et à des pressions inférieures à 100 bar environ à l'entrée de la filière. I1 est apparu de façon surprenante qu'une alimentation directe de l'extrudeuse avec un mélange de poudre de polyoléfine et de cendres volantes était plus favorable du point de vue de la casse des microsphères dans nos conditions d'extrusion qu'un mélange préalable à l'état fondu des mêmes ingrédients. Ce mélange qui peut être suivi d'une granulation multiplie en effet les possibilités de casse des microsphères. EXEL LE1 500g d'un polyéthylène basse densité (d = 0,92, MFI = 20 selon ASTM D 1238) à l'état de poudre de granulométrie moyenne égale à 300(t est mélangé pendant 2 minutes dans un mélangeur à fQt avec 246g de cendres volantes telles que définies précédemment. Le mélange est ensuite extrudé sur une machine monovis de diamètre l9mm et de taux de compression 1, équipée d'une filière à jonc de diamètre successivement 3, 5 et lOmm. Les températures affichées sur la machine sont respectivement de 130, 140 et 150 C sur le fourreau et 150 C pour la filière. Les résultats obtenus sur le jonc sont présentés dans le tableau ci dessous: - 9 - IComp uniaxi Traction | absorp. I I I_ _ _ _ _ _ _ _ _| eau | I | Q |Idensité | CR | E E R |50 bar Ifilièrel tr/mn | MMPa MPa (%) I à 1000h I I I (1) (2)1 (3)1 (3)1 (%) (4)1 3 40 0,821 - I - I - 40 1 0,79 1 8,0 350 (2) 1 16 (2)] 1,9 60 1 0,76 1 7,8 1200 1 19 I 1,2 10 1 80 1 0,77 1 7,6 1300 1 17 I 1,3 (1) densité mesurée au isopropylique (2) éprouvette hors norme 15 (3) ASTM D 638 (4) jonc de longueur 300mm pycnomètre de HUBBARD dans l'alcool EXEMPLE 2 500g du polyéthylène de l'exemple 1 sont mélangés pendant 2 minutes dans un mélangeur à fût avec 333g de cendres volantes. Le mélange est extrudé sur la machine monovis de l'exemple précédent 25 équipée de filières à jonc de diamètre successivement 5 et lOmm. Les conditions de températures sont inchangées par rapport à l'exemple 1. f - 10 - D: à 7-' 9 10 I I | |IComp uniax| Traction I absorp. I I I | _ _ __ _ _eau I r I Q |densité | CR E I ER 50 bar Ifilièrel tr/mn | | MPa I MPa i (%) à 1000h I I I I (2)1 (1)l (1)l (%) I 40 I 0,77 I 6,4 1280 (2)1 20 (2)1 4,5 I 60 I 0,77 1 6,6 1220 1 18 I 2,2 I.I (2) éprouvettes (1) ASTM D 638 hors norme EXEMPLE 3 Dans cet exemple les conditions d'extrusion sont celles des exemples 1 et 2. Le polyéthylène utilisé est également celui décrit dans les exemples précédents. 500g de polyéthylene sont mélangés à respectivement 158g (composition 1) et 269g (composition 2) d'une fraction de cendres volantes telles que celles utilisées précédemment. Cette fraction est obtenue par flottation des dites cendres volantes avec du pentane. 25 Après décantation nous récupérons une fraction surnageante dont les caractéristiques sont les suivantes: - densité vraie de l'ordre de 0,54 - répartition granulométrique: Refus cumulé à 154t p 11% 30 103 p 51% , 86% passant à 65 F 14% - il Les résultats obtenus sur chacune des compositions sont présentés dans le tableau ci-dessous. 15 -e'I I I module I allong. labsorp eau filière tr/mn densité traction rupture I 50 bar à MPa fc I I I j P a I (%) I... l O O Oh. Composition 1. I t III 40 0,75 -1,8 60 0,74 240 21] 0,9 Composition 2. I 5 I 40 0,72 3,9 I ______________, _______________ _____9____ - 12 - :2 EXEMPLE 4 Dans cet exemple on a extrudé la composition n 2 précédent à l'aide d'une vis à taux de compression 2,5, plus élevé que celui utilisé précédemment. de l'exemple c'est à dire Les résultats sont les suivants obtenus avec une filière à jonc de diamètre Smm Il tr/mn I I I absorp d'eau | densité | 50 bar 1000h | 1 (%) I l l 1I 0,84 1 1,4 l I 0,85 1 1,4 l l l EXEMPLE 5 comparatif 500g d'un polyéthylène basse densité (d=0,92 MFI 2,16/190 = 7 selon ASTM D 1238) à l'état de poudre sont mélangés pendant 2 minutes dans un mélangeur à fût avec 333g (composition 1) ou avec 246g (composition: 2) de cendres volantes. Le mélange est extrudé sur la machine monovis décrite précédemment et équipée des mêmes filières à jonc. Les températures des différentes zones du fourreau et de la filière sont également conservées. - 13 Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-dessous. 15 lI I I| résist. I I Ifilièrel tr/mn densité | rupture I Module | Allong. jabsorp eau l I I ||uniax. traction rupture 50 bar l tI | MPa | MPa I % 1000h. (%) COMPOSITION 1. 1 40 1 0,78 - 2 - -4 40 I 0,74 7,3 350 I 22 10 COMPOSITION 2. l10 60 0,78 300 30 4,1 | I0 60 I 0,78 I - { 300 I 0 1, 1.3 1, Les essais comparatifs des exemples 3 et 4 montrent que lors 20 de l'extrusion d'un mélange d'une poudre de polyéthylène et de cendres volantes, la casse des microsphères d'allègement peut être très sensiblement réduite par l'utilisation d'une vis à très faible taux de compression. Par ailleurs, les essais comparatifs des exemples 1, 2 et 5 montrent que les propriétés d'absorption d'eau 25 sous pression hydrostatique du matériau extrudé se dégrade à mesure que le taux de charge en microsphères augmente mais sont améliorées par l'utilisation d'un polyéthylène d'indice de fusion élevé. 2 598 713 - 14 EXEIILE 6 500g du polyéthylène de l'exemple 1 sont mélangés avec respectivement 88g (composition 1) et 138g (composition 2) de microsphères de verre B 38/4000 commercialisés par la société 3M. Le 5 mélange est extrudé sur la machine monovis de l'exemple 1 équipée d'une filière à jonc de lOmm. Les conditions de températures sont par ailleurs celles utilisées dans l'exemple 1 Les résultats obtenus sur les joncs dans le tableau ci-dessous. extrudés sont rassemblés .1 25 I ç I I Résistance I I absorp eau tr/mn I densitéY rupture [ Module [ Allong. I 50 bar I I I uniaxiale j traction I rupture] 1000h I I I I MPa I MPa % I (%) I I Composition 1. I I I I I I I 0,70 I 6,5 I 205 I 26 1,4 Composition 2. I0,64 7,0I I I I I I 60 I 0,64 I 7,0 I 250 f 7 [ 1,9 EXEML 7 On a extrudé à une température de filière égale à 170 C, sur la machine monovis décrite précédemment et équipée d'une filière à jonc de diamètre lOmm, un mélange de 500g d'un caoutchouc 35 thermoplastique styrènebutadiène-styrène commercialisé par la - société SHELL sous le nom de CARIFLEX TR et de 250g de cendres volantes. Le caoutchouc est préalablement réduit en poudre par broyage cryogénique. La densité mesurée sur le matériau ainsi obtenu est égale à 0,81. | s : X : 0 : :: : : j : : : X :: :.; 5 z :: 0 g ':., |:E ' 0 10 :'. : . g f ' iS ': -' :. : X . : :: 20 : . . : --: . :u : 30 . u w,. : _ f L . :- 0 | : : *: - 16 REVENDICATIONS 1. Matériau de remplissage et de flottabilité comprenant un matériau thermoplastique et une charge d'allègement minérale ou organique résistant à la pression hydrostatique, caractérisé en ce qu'il comprend de 50 à 80% en volume d'un homo- ou copolymère polyoléfinique ou polydioléfinique et de 50 à 20% en volume d'une charge creuse d'allègement résistant à la pression hydrostatique. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dites charges d'allègement sont des microsphères de verre creux. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dites charges d'allègement sont des microsphères du type "cendres volantes" apparaissant naturellement dans les suies des centrales thermiques fonctionnant au charbon pulvérisé. 4. Procédé de fabrication d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on réalise à température ambiante un mélange (11) de poudre d'homo- ou de copolymère polyoléfinique et de microsphères creuses, puis en ce que l'on réalise l'extrusion (17) de ce mélange à l'aide d'une vis à très faible taux de compression à travers une filière à une température habituelle pour l'extrusion de la matrice thermoplastique considérée. 5. Structure tubulaire comprenant une pluralité de tubes ou câble assemblés en faisceau, l'ensemble étant recouvert d'une gaine externe en matériau thermoplastique, caractérisée en ce qu'elle comprend un matériau (A) selon la revendication 1 incorporé entre les tubes ou câbles (1, 2, 3) . 6. Procédé de réalisation d'une structure tubulaire par assemblage de tubes ou câbles en faisceau, l'ensemble étant ensuite - 17 recouvert d'une gaine externe en matériau ou thermoplastique, caractérisé en ce que l'on incorpore entre ces tubes ou câbles (1, 2, 3) un matériau (A) selon la revendication 1 par extrusion bourrage dudit matériau.