Brevet FR2619193A1 — publié le 19890210

- 1- 2619193 La présente invention est relative à des conduites tubulaires flexibles stables en longueur sous l'effet d'une pression interne. La présente invention est en particulier relative à des conduites tubulaires flexibles de transport de fluides sous pression, tels qu'en particulier les hydrocarbures produits lors de l'exploitation de puits sous-marins. La société déposante fabrique et commercialise en grande longueur de telles conduites qui présentent des caractéristiques mécaniques élevées, notamment de résistance à la traction, à l'écrasement et à la pression interne du fluide transporté. Ainsi la société déposante fabrique des conduites comportant essentiellement une gaine interne d'étanchéité, une armure de résistance à la traction composé habituellement de deux nappes croisées constituées chacune de fils disposés en hélice autour de la conduite avec un même angle d'armage, les fils des deux nappes étant enroulés avec des angles opposés par rapport à l'axe de la conduite, une armure de résistance à la pression comportant une ou plusieurs nappes de feuillard agrafé ou de fils profilés enroulés par spiralage sous un angle proche de 90 par rapport à l'axe de la conduite, et une gaine externe. Il s'agit de conduites de type smoothbore. Les conduites de type rough bore comportent en outre, sous la gaine interne d'étanchéité, une armure de résistance à l'écrasement et à la pression extérieure constituée généralement par un enroulement hélicoïdal à faible pas d'un ou plusieurs profilés agrafables, notamment du feuillard d'acier. Dans certains cas l'armure de résistance à la pression est supprimée et les fils des deux nappes d'armure sont alors posés à l'angle d'équilibre, soit à 55e par rapport à l'axe de la conduite. Dans certaines applications, notamment dans le cas o les conduites utilisées pour la collecte d'hydrocarbures produits par des puits sousmarins doivent être ensouillées, c'est-à-dire disposées au fond d'une tranchée creusée dans le fond sous-marin, il est essentiel d'éviter un allongement axial notable de la conduite flexible en service sous l'effet de la pression interne du fluide transporté car un tel allongement axial entraîne une déformation de la conduite risquant de provoquer un désensouillage de celle-ci. Des tentatives ont été faites pour proposer des conduites tubulaires flexibles présentant un allongement aussi faible que possible en service sous pression interne élevée. -2- 2619193 Ainsi FR-A 2 557 254 décrit une conduite tubulaire flexible comportant une armure de résistance à la traction constituée d'au moins une paire de nappes d'armage généralement posées avec un angle d'armage compris entre 15 et 45 par rapport à l'axe de la conduite et une armure de résistance à la pression comportant une ou plusieurs couches de fils spiralées. Ce document prévoit d'utiliser des rapports déterminés entre les rigidités des fils des couches spiralées de l'armure de résistance à la pression et des nappes de fila constituant l'armure de résistance à la traction. Dans le cas habituel o tous les fils sont en un même matériau, par exemple en acier, ce rapport se réduit à un rapport d'épaisseurs. Si les modules d'élasticité des fils des couches spiralées et des fils des nappes d'armure de résistance à la traction sont identiques, l'on obtient un rapport d'épaisseurs élevé, (compris entre 2,5 et 8) entre l'armure de résistance à la traction et l'armure de résistance à la pression, ce qui accroit notablement le poids linéaire de la conduite et donc son coût. En outre, on ne peut tirer pleinement profit de la vitesse de fonctionnement des armeuses qui est dans la pratique nettement supérieure à la vitesse de fonctionnement d'une spiraleuse. Il a par ailleurs été proposé dans FR-A 2 464 423 d'utiliser une armure constituée d'une pluralité de paires de nappes croisées de fils d'armage. Ce document ne donne cependant aucune solution constructive en vue d'assurer une stabilité demensionnelle notamment en sens axial de la conduite flexible sous l'action d'une pression interne. De plus, il prévoit la présence d'une ou plusieurs paires de nappes enroulées selon un angle proche de 90 par rapport à l'axe de la conduite, c'est-à-dire qu'il s'agit de fils spiralés avec les inconvénients mentionnés ci-dessus. Les études effectuées par la société déposante montrent que lors d'une mise en pression interne d'une conduite flexible deux étapes de déformation axiale se produisent successivement. On constate tout d'abord pour une montée en pression relativement faible par exemple jusqu'à 5 MPa une déformation axiale relativement importante résultant de manière inévitable de l'existence de Jeux de fabrication entre les nappes de fils d'armure et du fait de la déformation de matériaux de remplissage éventuellement placés entre les couches d'armure. -_ 3 - 2 62619193 Si des mesures constructives particulières ne sont pas prévues, il se produit alors une phase ultérieure de- déformation qui peut être importante lorsque la pression interne est élevée ce qui est le cas dans les applications pratiques o des pressions de services peuvent atteindre des valeurs de plusieurs dizaines de HPa. La présente invention se propose de réaliser une conduite tubulaire flexible qui, par des mesures constructives particulières, ne présente au cours de la deuxième phase de déformation mentionnée ci-dessus qu'une déformation faible ou nulle. Les mesures préconisées par la présente invention permettent de réaliser des conduites qui, lors d'une mise en pression, peuvent présenter un raccourcissement au cours de la seconde phase de déformation, ce raccourcissement pouvant s'ajouter à un raccourcissement déjà obtenu au cours de la première phase de déformation ou compensant totalement ou partiellement un allongement qui se serait produit lors de la première phase de déformation. En d'autres termes, l'invention permet de réaliser des conduites dont les variations dimensionnelles, notamment en sens axial, peuvent être parfaitement contrôlées de manière à présenter un certain allongement lors de l'application d'une pression intérieure élevée, si un tel allongement est admissible, compte tenu des conditions d'utilisation, une stabilité dimensionnelle ou encore un raccourcissement contr8lé. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que la conduite tubulaire flexible comprend au moins deux paires de nappes de fils enroulés h&licoldalement, c'est-à-dire à pas constant, ayant un comportement à l'allongement linéaire et élastique, les deux nappes d'une même paire étant composées de fils identiques posés selon un même angle d'armage mais en sens opposé, tous les fils étant posés selon l'un de deux angles d'armage l'un inférieur à 55 (a) l'autre supérieur à 55 (ab) les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage a tel que: a - 4 - 2619 1 9 3 0,5 2 2 4 et: 2 sin a b cos ab sin ab Di Dmb RPo 4 2 2 sin aa 2 sin aa cos aa Dma Di avec: ha- nombre de paires de nappes armées à l'angle a. a a nb =nombre de paires de nappes armées à l'angle ab' kai (et respectivement kbi) = rigidité à l'allongement axial des fils de chacune des paires de nappes d'armure i (et respectivement j) armées à l'anglea (et respectivement ab). a Cb k étant défini par k = T/e o T est la tension dans le fil correspondant et C est l'allongement relatif du fil. l'ai (et respectivement e'bj) valeur moyenne de la largeur occupée par les fils, c'est-à-dire la largeur du fil mesurée dans la section droite du fil et dans le plan tangent au cylindre dessiné par la nappe d'armure augmenté du jeu entre deux fils successifs, cette largeur étant déterminée par: TDk x cos k L'k N k o Dk est le diamètre moyen de la couche de fils ak est l'angle d'armage Nk est le nombre de fils d'armage 2 6 92619193 Di est le diamètre interne de la première nappe de fils d'armage intérieure. Dma est le diamètre moyen des n paires de nappes armées a selon l'angle a a Dmb est le diamètre moyen des nb paires de nappes armées selon l'angle cb Pour des réalisations avantageuses de conduites selon l'invention le rapport Rp satisfait de préférence à la relation: Rpo le RP 0,7 p conduite flexible sous l'application d'une pression interne. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention il est prévu deux paires de nappes de fils d'armage la valeur Rp étant alors définie par la relation suivante: Rp = ka x 'b kb Ca Si l'on utilise des fils plats jointifs o sensiblement jointifs de section rectangulaire ou méplate en un matériau unique linéairement élastique et avec des épaisseurs de fils pour les deux nappes internes et respectivement pour les deux nappes externes identiques, la conduite tubulaire flexible selon l'invention se caractérise par la relation suivante: Re 0,5 Rpo avec na -i1 eai Re. nnb L401 ebj -6 2- 2619193 Re étant le rapport des épaisseurs des fils d'armures posés respectivement selon les angles a a et a b, eai et ebj étant les épaisseurs des nappes respectives posées selon les angles a eta. a De préférence le rapport Re Rpo satisfait à la relation: 0,7 de déformation. En tant que fils d'armure selon l'invention, on peut utiliser des fils d'acier ou en matériaux composites par exemple constitués de fibres minérales telles que du verre ou du carbone, ou organiques, telles que des fibres aramides noyées dans une matrice de résine thermoplastique, telle qu'une résine polyamide, ou thermodurcissable telle qu'une résine époxy. Selon l'invention les fils d'armure peuvent être constitués de torons ou de câbles réalisés à partir de fils d'acier. Les fils d'armure peuvent également être constitués de fibres parallèles en matériau plastique, par exemple en polyester entourées d'une tresse ou d'une gaine. Des gaines en matière plastique ou élastomérique peuvent 9tre disposées entre les paires de nappes de fils ou les nappes d'une paire. On peut selon l'invention réaliser aussi bien des structures de type smooth-bore que de type rough-bore. Le dessin annexé illustre schématiquement une conduite selon l'invention. Celle-ci comprend une gaine extérieure de protection 1 en matériau plastique ou élastomérique, une paire de nappes de fils d'armage 2,3 posées selon l'angle a b, une paire de nappes de fils d'armage 4,5 posées selon l'angle a a et une gaine interne d'étanchéité 6 en un matériau plastique ou élastomérique. Dans l'exemple illustré d'une structure de type rough-bore, il est en outre prévu une armure intérieure 7, par exemple an ú0 X L'ú -: alqIxaI& 0 0 x 9'ú +: I alqtalT ecR tO ap auaeluT uoTssaid aun e saluetfns lnanguot ap sa.PeTlal SUoTIetIWA sa sap7pnl salqTxaTl; saalTetnqnl saiTnpuoa sap aunaeqD inod paou e uo 'uoTlzvTiqul ap xnae sap aSede se aI zuamalnaTzuassa luen3;tsuoo uoTleIumao;ap ap aseqd azaTmaid et ap alTns et e la auzaluT uoTssald snos asTm saidy s; TZUTor zuamalqTsuas la slvld (Zm/Rep 0oI ap aipzojl ap anbTselta alTmTW) aDuelsTsea a3neq ia;zu,p si;t sap iuos agumeep slTj sal asemzep sIT; ap saddsu ap salTrd sap aelua saaeno ea 0 a, suo saeTeTpauzaluT sauTeS sap S la Zgl aldmaxa saI suea ? alRue ainmm al uolas ssod a2em.ep silT; ap saddeu ap sal-ed xnap ainaia3lu; 9a3Tqzouze3ap autTS el ans lue3aodmoa azoq-qgnoa ain3onais aun luamaISa P anTap a anTt p elTdmaxa, *ussap np amnST; el suep aoluasaidai alTaz ge uepuodsaeioD aioq-qgno SZ ainnznais aun zua3uasaid salTnpuoz sa.Tmaid aazvnb sal : Sl'l: ZV': úú'1: 6': 9'0: odu/a: : 8SE'ú: ZO'T: SI'I: 067'0: 061'0 od: Z : 918 - 8 - 2619193 -3 Flexible 3: - 1,2 x 10 Flexible 4: - 1,8x 1,3 Flexible 5: - 1,3 x 10 Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir ni de son cadre ni de son esprit. - 9 - 2619193 REVENDICATIONS 1. Conduite tubulaire flexible comportant une gaine interne d'étanchéité (6), une armure (2,3,4,5) constituée d'au moins deux paires de nappes de fils enroulés hélicoldalement, les deux nappes d'une même paire étant composées de fils identiques posés selon un même angle d'armage mais en sens opposé, et une gaine externe de protection (1), caractérisée par le fait que tous les fils sont posés selon l'un de deux angles d'armage l'un inférieur à 55 (ea) l'autre supérieur à 55 (ab) les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage a tel que: a O 400 570 7 lesdites nappes étant agencées de manière à satisfaire la relation: 0 RP 0,5 Rpo avec: ri t na (ka)i R5pS i t 1 (Z'a)i nb (kb)j --, 1 (Q'b)j 0O et: 2 sin2a b cos2 ab sin4 b Di Dmb Rio - RPo 4 2 2 sinaa a 2 sin2 aa cos ca Dma Di avec na - nombre de paires de nappes armées à l'angle a a nb nombre de paires de nappes armées à l'angle ab. kai (et respectivement kb) - rigidité à l'allongement axial des fils de chacune des paires de nappes d'armure i (et respectivement j) armées à l'anglea (et respectivement ab). - lo - 2619193 k étant défini par k - T/ E o T est la tension dans le fil correspondant etE est l'allongement relatif du fil. ú'ai (et respectivement V'bj) - valeur moyenne de la largeur occupée par les fils, c'est-à-dire la largeur du fil mesurée dans la section droite du fil et dans le plan tangent au cylindre dessiné par la nappe d'armure augmenté du jeu entre deux fils successifs, cette largeur étant déterminée par: 'k= tDk x cos ak Nk ou Dk est le diamètre moyen de la couche de fils ak est l'angle d'armage Nk est le nombre de fils d'armage Di est le diamètre interne de la première nappe de fils d'armage intérieure. Dma est le diamètre moyen des na paires de nappes armées selon l'angle a a Dmb est le diamètre, moyen des nb paires de nappes armées selon l'angle ab. 2. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 1, caractérisée par la relation suivante: 0,7 Rpo 3. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par la relation suivante: 1 Rpo 4. Conduite tubulaire flexible notamment selon la revendication 1 comportant des fils d'armage plats jointifs ou sensiblement jointifs de section rectangulaire ou méplate en un matériau unique linéairement élastique, caractérisée par la relation suivante: 0,5 Fi =nb- -k =1 ebj - il - 2619193 Re étant le rapport des épaisseurs des fils d'armage posés respectivement selon les angles aa et ab, eai et ebj étant les épaisseurs des nappes respectives posées selon les angles a etC b a b 5. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le rapport Re satisfait à la relation: Rpo 0,7 revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le rapport Re satisfait à la relation: RPo 1 revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux paires de nappes de fils d'armage. 8. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par le fait que les nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage le plus faiblea sont disposées à a l'intérieur par rapport aux nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage ab plus élevé. 9. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre sous la gaine d'étanchéité une armure (7) de résistance à l'écrasement et à la pression extérieure constituée par un enroulement hélicoïdal à faible pas d'un ou plusieurs profilés agrafables.