Brevet FR2616198A1 — publié le 19881209

La présente invention se rapporte à un système d'assemblage matériau composite/métal permettant d'utiliser les matériaux composites dans le transport de fluides corrosifs et/ou abrasifs sous des pressions statiques pouvant atteindre 150 MPa. L'invention permet notamment d'intercaler entre les conduits métalliques, ou circule un fluide sous très haute pression, un élément de tube composite qui peut notamment faire partie d'un capteur destiné à mesurer diverses propriétés du fluide (viscosité, débit, densité, etc...) Un des problèmes connus de l'art antérieur consiste en la difficulté de réaliser des raccords matériau composite/métal capables de résister durant une longue période à de très hautes pressions. L'invention résoud ce problème. Une application particulièrement importante réside dans l'application aux capteurs de l'industrie pétrolière et parapétrolière qui doivent mesurer comme on le sait des propriétés (viscosité, densité, paramètres rhéologiques, etc...) de fluides circulant sous de très hautes pressions, et qui peuvent être corrosifs (acides) et/ou fortement abrasifs (laitiers de ciment). Selon l'invention, on dispose entre le matériau composite et le tube métallique un embout métallique comportant un épaulement en saillie à son extrémité en contact avec le matériau composite et un raccord haute pression à son autre extrémité. Les figures 1 et 2 annexées représentent un mode de réalisation préféré de l'invention, non limitatif, en vue en coupe longituginale dans un plan parallèle à l'axe de conduit. L'une des caractéristiques essentielles de l'invention réside dans l'épaulement en saillie 2 autour duquel sont déposés par bobinage, de manière connue, les différents plis de matériau composite. L'avantage de cette structure est de permettre un bobinage normal du matériau composite tout en assurant pour la première fois dans l'industrie la tenue aux contraintes de traction et de torsion entre le tube métallique (et l'embout métallique) d'une part, et le tube composite d'autre part. On élimine ainsi les risques de déformation, fuites et ruptures qui sont courants dans les tentatives de l'art antérieur. Etant données les pressions de travail, on voit que cet avantage est tout à fait déterminant. Dans l'industrie pétrolière et parapétrolière, les inconvénients de l'art antérieur ont des conséquences encore plus graves (toute interruption du travail sur une ligne entraine un risque grave mauvais traitement du puits, mauvais placement du ciment, avec des conséquences quelquefois irrémédiables). Les références ont la signification suivante 1 . Matériau composite bobiné 2 . Epaulement sur embout métallique 3 . Embout métallique 4 . Fibres circonférentielles de matériau composite 5 . Fibres longituginales du matériau composite P . Pression exercée par le fluide pompé à l'intérieur du conduit. S . Section du conduit F . Efforts de tension longitudinaux dus à la pression R . Rayon sur épaulement AH. Angles des plans inclinés sur épaulement 6 . Manchon anti-abrasion/anti-corrosion 7 . Système d'assemblage type Weco avec un tube métallique haute pression non représenté 8 . Joint haute pression 9 . Bague de protection 10. Joints toriques La figure 3 représente une réalisation d'un capteur (11) de mesure de propriétés du fluide, mesures faites à travers le matériau composite constitutif du conduit (1). La figure 4 représente un tube très haute pression en matériau composite, raccordable aux deux bouts, grâce à l'application de l'invention. La figure 1 illustre de facon détaillée le principe de fonctionnement de l'invention. Lorsqu'unie pression importante P est appliquée à l'intérieur du conduit, elle crée une forte tension F =PxS au sein du matériau constitutif du conduit. Les fibres longitudinales (5) du matériau composite reprennent en partie cet effort. Dans la zone de raccordement entre le tube en composite et l'embout métallique 3, les efforts de cisaillement à l'interface entre les deux matériaux atteignent des valeurs telles qu'aucune colle ne peut suffir à maintenir l'ensemble. C'est à ce point que les réalisations de l'art antérieur sont fragiles. Dans la présente invention le tube en matériau composite est bobiné autour d'un épaulement (2) en saillie sur l'embout métallique. Lorsque l'on exerce un effort de traction sur le tube, tout glissement doit se traduire par une augmentation du diamètre d'une partie des spires de la couche de fibres circonférentielles (4) du matériau composite. Or ces fibres sont constituées de matériau à module d'Young très élevé, c'est notamment le cas pour les fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Il est par conséquent très difficile, voire impossible de faire glisser l'assemblage, que ce soit en traction ou en compression grâce à la forme de l'épaulement 2 qui présente deux plans inclinés aux angles A, B. Pour éviter de casser par amorce de rupture les fibres longitudinales on prendra la précaution de définir des rayons R bien choisis au niveau de l'épaulement. En définitive, la forme de l'épaulement peut etre choisie de diverses manières mais comportera de préférence un profil tel que les changements de diamètres ne soient pas trop "brutaux". Dans un autre mode de bobinage préféré, les fibres du matériau composite seront bobinées selon deux spirales symétriques (l'une gauche, l'autre droite) dont l'angle des fibres par rapport à l'axe du conduit sera de l'ordre de 50 à 600. On sait en effet qu'un tuyau constitué de fibres bobinées en spirales a un angle de Arctg(2) env. 54,730 est virtuellement inexpansible sous l'effet des forces de pression. On peut enfin, envisager la réalisation de l'invention avec une combinaison de plus de 2 couches de fibres avec des orientations choisies parmi les exemples cités. La figure 2 précise la réalisation de l'invention. Un manchon 6 en matériau résistant aux fluides pompés (corrosifs ou abrasifs), pouvant être notamment du polyuréthane ou du polytétrafluoroéthylène, a pour fonction de protéger le matériau composite contre l'attaque chimique. On sait en effet que les résines liant les fibres de renfort du matériau peuvent etre dissoutes par certains fluides, par ailleurs les fibres de verre sont attaquées par l'acide fluorhydrique. Le manchon 6 peut être mis à profit pour faciliter la fabrication du tube. En effet il peut etre utilisé pour servir de guide, au bobinage du matériau composite par dessus l'embout métallique 2. La pièce métallique 9 associée au joint 8 permettent de protéger l'extrémité du manchon 6 contre l'abrasion. Les joints toriques 10 assurent une étanchéité totale et évitent ainsi la pénétration sous l'effet de la pression des fluides agressifs entre la pièce 9 et le manchon 6. Dans cet exemple, on a fait figurer l'extrémité 7 d'une connexion haute pression type Ueco femelle. Le système d'assemblage WECO est bien connu, notamment dans l'industrie pétrolière et parapétrolière. On pourra cependant le remplacer par tout autre système connu de l'homme du métier capable de résister aux très hautes pressions mentionnées ici. La figure 3 illustre l'application de l'invention à la réalisation de capteurs raccordables à des lignes haute pression. Dans ce mode d'application le capteur (11) mesure une ou plusieurs propriétés du fluide circulant dans le conduit composite 1. Le capteur sera notamment un débitmètre, un densitomètre, un capteur de mesure de conductivité, de type connu et qu'il est inutile de décrire ici en détail. Enfin la figure 4 représente un tuyau très haute pression ayant à chaque extrémité un raccord type Weco male et femelle (respectivement) reliés au tuyau en matériau composite grâce à l'invention. L'intéret de l'utilisation des matériaux composites à base de polymères pour les tuyaux haute pression, résident surtout dans le gain important de poids, permettant une manutention plus aisée et le transport d'un plus grand nombre de tuyaux par camion. Pour l'industrie, notamment pétrolière et parapétrolière, cet avantage revêt une extrème importance. REVENDICATIONS 1 - Système d'assemblage d'une pièce à symétrie cylindrique en matériau composite avec une pièce métallique, capable de résister à de très hautes pressions internes (150 MPa), caractérisé en ce que l'extrémité (1) de la pièce en matériau composite intègre et recouvre au moins partiellement un embout métallique (3) de symétrie cylindrique comportant à l'une des extrémités un épaulement (2) au diamètre dont la section par un plan passant par l'axe de symétrie a une forme sensiblement trapézoidale (2) autour de laquelle sont "bobinées" les fibres de renfort du matériau composite, et en ce que l'autre extrémité de l'embout métallique (3) comporte un raccord haute pression (7) pour l'assemblage avec la pièce métallique à raccorder. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce en matériau composite et l'embout métallique sont des tubes très haute pression et en ce que la pièce métallique à raccorder est soit un tube très haute pression soit un bouchon très haute pression. 3 - Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau composite au niveau de l'interface avec l'embout métallique (3) comporte au moins une nappe longituginale (5) de fibres de renfort orientées parallèlement à l'axe et au moins une nappe circonférentielle (4) de fibres de renfort bobinées en spires sensiblement circulaires situées dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe de symétrie du système. 4 - Système selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi interne du tube en matériau composite est solidaire d'un tube coaxial (6) de protection du matériau composite contre les fluides agressifs pouvant circuler dans le conduit, notamment des acides et des fluides abrasifs. 5 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau du tube de protection est un polyuréthane, ou en polytétrafluoroéthylène, ou produit analogue. 6 - Système selon les revendications l à 5, caractérisé en ce que le matériau composite est constitué d'une résine de liaison et de fibres de renfort pouvant être des fibres de verre, des fibres de carbone ou des fibres d'aramide, ou produit analogue. 7 - Capteurs, notamment pour l'industrie pétrolière et parapétrolière, comportant un tube en matériau composite très haute pression dans lequel circule le fluide dont certaines propriétés sont mesurées par le capteur, caractérisé en ce que le tube composite comporte à ses deux extrémités un système d'assemblage selon les revendications 1 à 3. 8 - Tubes en matériau composite haute pression, raccordables entre eux pour former une ligne de longueur variable, compatible avec des pressions statiques internes très élevées (150 MPa), caractérisés en ce que chaque tube composite comporte à ses deux extrémités un système d'assemblage selon les revendications 1 à 3, mâle/mâle, femelle/femelle ou de préférence mâle/femelle. 9 - Tube en matériau composite haute pression, raccordable selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'intérieur du tube composite comporte un tube de protection selon la revendication 4 ou 5.