Brevet FR2628177A1 — publié le 19890908

( ) RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication: 2 628 177 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) B E LA PROPRIÉTE INDUSTRIELLE oo 8d éa DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national: 88 02560 -PARIS ( Int Cl4: F 16 L 11/02. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 2 mars 1988.) Demandeur(s): INSTITUT FRANCAIS DU PETROLE, Or- ganisme Professionnel et AEROSPATIALE SOCIETE NA- ) Priorité: TIONALE INDUSTRIELLE. - FR. Inventeur(s): Pierre Odru: Charles Sparks; Marcel Au- beron; Jacques Behar. _ Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. - Références à d'autres documents nationaux appa- rentés Q Titulaire(s) G Mandataire(s) Institut Français du Pétrole. Tube comportant des couches composites à module d'élasticité différent. 57 Tube en matériau composite, résistant à la pression interne, et comportant au moins deux couches de fibres de renfort de pression, ou couche de résistance à la pression, enroulées sous un angle au moins égal en valeur absolue à 2, , par rapport à l'axe du tube, les deux couches ayant toutes deux une dilatation radiale sous l'effet de la pression, I'une de 3 ces deux couches étant intérieure à l'autre. L'invention se caractérise en ce que le module d'élasticité m circonférentiel de la couche extérieure est supérieur au module 4 d'élasticité circonférentiel de la couche intérieure. Application notamment au domaine pétrolier pour les co- l lonnes de forage en mer et aux tubes de production en mer comme à terre. s/ Nq cc e D Vente des fascicules 'IMPRIMERIE NATIONALE, 27 rue de Convention-75732 PARIS CEDEX 15 ILL D Vente des fascicules à I'IMPRIMERIE NATIONALE, 27, rue de la Cootvention -- 75732 PARIS CEDEX 15 -- I -- La présente invention concerne une nouvelle structure de tube composite résistant aux hautes pressions. Les tubes selon l'invention ont par rapport aux tubes enseignés dans l'art antérieur, soit une épaisseur et un poids moindres à pression de service égale, soit une pression admissible supérieure à épaisseur égale. L'invention propose en outre des exemples de tubes économiquement optimisés. Par matériau composite, il faut entendre un matériau constitué à partir de fibres parallèles, telles des fibres de verre type E ou R, des fibres de carbone, des fibres aramide type Kevlar 29 ou Kevlar 49 (marques déposées par Dupont de Nemours) enrobées dans une matrice, telle une matière thermoplastique ou thermodurcissable, par exemple une résine époxy. Cette matrice adhère aux fibres. L'invention s'applique, notamment, à la réalisation de tubes pour le transfert ou le stockage de fluides sous pression, tels que l'eau ou les hydrocarbures. Plus particulièrement, les tubes selon l'invention sont bien adaptés pour être utilisés dans les opérations de recherche et d'exploitation pétrolière en mer, par exemple comme lignes de sécurité de colonnes montantes ou descendantes reliant le fond de la mer et un support de surface, tel qu'une plate-forme de forage ou d'exploitation, ou tel qu'une bouée de subsurface. -- 2 --17 -2- Ces colonnes sont couramment désignées par leur appellation anglaise de "Riser". Dans le présent texte on entend par mono-couche composite une juxtaposition et éventuellement une superposition de fibres parallèles entre elles enrobées dans un matrice. Dans le cas d'un tube ces fibres sont enroulées sous un même angle par rapport à l'axe du tube. Par couche composite on entend, soit une monocouche, soit une juxtaposition et éventuellement une superposition de fibres, suivant deux directions symétriques par rapport à un axe, ces fibres étant enrobées dans une matrice. Dans le cas d'un tube les fibres sont enroulées sous deux angles opposés par rapport à l'axe du tube. Par couche composite équilibrée on entend une couche comportant des fibres disposées suivant deux directions, avec une répartition égale des fibres dans ces deux directions. La matrice adhère aux fibres. Lorsqu'un tube est composé de plusieurs couches composites, la matrice forme un milieu continu à travers ces fibres auxquelles elle adhère, rendant le tube rigide. Dans la suite de ce texte, sauf spécification contraire, le terme couche désignera implicitement une couche composite. L'invention consiste notamment à enrouler sensiblement circonférentiellement sur un tube initial un matériau composite présentant un module d'élasticité circonférentiel plus élevé que celui des couches intérieures, enroulées sensiblement circonférentielles résistantes à la pression. Par module d'élasticité circonférentiel d'une couche composite bobinée sur une tube, on entend le module d'élasticité (ou module d'Young) selon une direction tangente à la couche considérée, cette tangente -3- étant située dans un plan perpendiculaire à L'axe du tube. Les tubes composites comportent généralement une superposition de couches de fibres. Comme cela a déjà été dit dans chaque couche, ces fibres sont disposées suivant des angles égaux ou symétriques par rapport à l'axe du tube et noyées dans une matrice. Cette matrice adhère aux fibres des différentes couches. L'invention s'applique notamment mais non exclusivement, aux tubes dont les couches, qui résistent seulement, voire complètement, à la traction sont distinctes de celles qui résistent sensiblement, voire complètement, à la pression. La matrice enrobant les fibres des différentes couches forme néanmoins un milieu continu à travers ces fibres. Les couches résistant à la traction comportent des fibres enroulées sous un ou plusieurs angles faibles par rapport à l'axe du tube. De même, les couches résistant à la pression comportent des fibres enroulées sous des angles élevés par rapport à l'axe du tube. On ne sortira pas du cadre de l'invention en réalisant, au lieu de tube comportant une couche extérieure circonférentielle dont le module d'élasticité circonférentiel est supérieur à celui d'une couche intérieure, une enveloppe résistant à la pression en matériau composite, telle un réservoir, comportant une couche extérieure circonférentielle dont le module d'élasticité circonférentielle est supérieur à celui d'une couche intérieure. La présente invention propose un tube en matériau composite, résistant à la pression interne, et comportant au moins deux couches de fibres de renfort de pression, ou couches de résistance à la pression, enroulées sous un angle au moins égal en valeur absolue à 70 , par rapport à l'axe du tube, les deux couches ayant toutes deux une dilatation radiale sous l'effet de la pression, l'une de ces deux couches étant intérieure à l'autre qui lui est extérieure. Ce tube se caractérise notamment en ce que le module d'élasticité circonférentiel - 4 - de la couche extérieure est supérieur au module d'élasticité circonférentiel de la couche intérieure. De préférence aucune couche composite de résistance à la pression interne située en dessous de ladite couche extérieure de résistance à la pression interne ne pourra avoir un module d'élasticité circonférentiel supérieur à celui de ladite couche extérieure. Lorsque le tube comporte une couche intermédiaire de résistance à La pression intercalée entre lesdites couches intérieure et extérieure, le module d'élasticité circonférentiel de la couche intermédiaire pourra être compris entre les modules d'élasticité en conférientieL des couches intérieure et extérieure ou être égal. L'angle des couches de renfort de pression pourra être au moins égal à , ou mieux au moins égal à 85 . L'angle de ces couches sera de préférence voisin de 90 . La couche intérieure de résistance à la pression pourra comporter des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est voisin de 000 MPa, telles des fibres de verre, et la couche extérieure de résistance à la pression pourra comporter des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est voisin de 140 000 MPa, telles des fibres en Kevlar 49, et le rapport de l'épaisseur de la *couche intérieure de résistance à la pression à celle de la couche extérieure de résistance à la pression pourra être compris entre 0,20 et 0,50 ou même 0,60. La couche intérieure de résistance à la pression pourra comporter des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est voisin de 000 MPa, telles des fibres en Kevlar 49, et la couche extérieure de résistance à la pression pourra comporter des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est sensiblement compris entre 200 000 et 300 000 MPa, telles des fibres en carbone, et le rapport de -5- l'épaisseur de la couche intérieure de résistance à la pression à celle de la couche extérieure de résistance à la pression pourra être compris dans l'intervaLle 0,15-0,30. Le tube pourra comporter au moins une couche de renfort résistant à la traction. Les fibres de la couche extérieure de résistance à la pression pourront être précontraintes en traction, en l'absence de pression à l'intérieur du tube. Le tube pourra également comporter au moins deux couches de fibres de renfort résistant à la traction et distribuées dans l'épaisseur dudit tube. On pourra utiliser le tube selon l'invention pour la réalisation de tubes dont la pression à l'éclatement est voisine ou supérieure à 100 MPa servant au transfert ou le stockage de fluide. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante de quelques exemples de réalisation dont l'un est illustré par la figure annexée représentant un tube en matériau composite auquel s'applique l'invention. La référence 1 désigne l'enveloppe intérieure du tube. Cette enveloppe étanche peut être en élastomère, en matériau thermoplastique ou thermodurcissable, tel du BUNA, du RILSAN, (qui sont respectivement des marques déposées par HOECHST et de ATO CHEM). Cette enveloppe pourra également être réalisée en aluminium, titane ou acier. Le module d'élasticité de ces matériaux étant généralement supérieur à celui des couches resistant à la pression interne, ceci signifie que ces types d'enveloppes subissent des déformations -6plastiques. Sur l'enveloppe 1 intérieure sont enroulées plusieurs couches 2, 3, 4, , 6, 7, 8 de composites. La couche intérieure 2 est réalisée de préférence à partir de fibres bobinées suivant un angle voisin de 90 en valeur absolue, par rapport à l'axe du tube, de manière que cette couche intérieure 2 reprenne essentiellement les efforts de pression dus à la pression régnant à la pression à l'intérieur du tube. La couche 3, qui reprend essentiellement les efforts de traction qui s'exercent suivant l'axe du tube, comporte des fibres enroulées suivant des angles faibles par rapport à l'axe du tube, tels des o o angles compris entre O et 35 , par exemple 20 . La couche 4 est une deuxième couche intérieure de résistance à la pression et est réalisée comme la couche 2 avec le même matériau composite, les fibres étant enroulées comme pour la couche intérieure 2 sous le même angle par rapport à l'axe du tube. De ce fait cette couche 4 présente le même module d'élasticité circonférentiel que la couche 2. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention si la couche 4 avait un module d'élasticité circonférentiel supérieur à celui de la couche 2, mais inférieur ou égale à celui des couches qui lui sont extérieures et qui résistent àla pression interne. La couche 5, comme la couche 3, est une couche resistante aux efforts de traction exercés sur le tube. La couche intermédiaire de résistance à la pression 6, comporte des fibres de renfort enroulées suivant un angle voisin de 90 par rapport à l'axe du tube. Cette couche intermédiaire 6 peut être réalisée avec un matériau composite différent de celui utilisé pour les couches 2 et 4. Cette différence de matériau composite peut être obtenue, par exemple, en changeant les proportions respectives de matrice et de fibres, ou en changeant la nature des fibres, ou encore en changeant la nature de la matrice, Ce qui importe selon la présente invention -7- c'est que le module d'élasticité circonférentiel des couches de résistance à La pression qui lui sont intérieures et au plus égales à celui des couches de résistance à la pression qui lui sont extérieures. La couche 7, comme les couches 3 et 5 est adaptée à répendre les efforts de traction exercés sur le tube. La couche extérieure 8 est réalisée à partir de fibres résistantes bobinées suivant un angle voisin de 90 en valeur absolue, par rapport à l'axe du tube, de manière à reprendre les efforts dus à la pression à l'intérieur du tube. Cette couche extérieure 8 est réalisée avec un matériau composite ayant un module d'élasticité circonférentiel supérieur à celui des couches de résistance à la pression qui lui sont intérieures. La couche intermédiaire 6 peut avoir un module d'élasticité circonférentiel égal à celui de la couche 8, ou égal à celui de la couche 4 ou intermédiaire à ceux des couches 4 et 8. L'invention sera bien comprise à la lecture de l'exemple suivante: Cet exemple concerne la réalisation d'un type ayant une pression de service entre 50 et 100 MPa avec un coefficient de sécurité de 2, lui confèrent une pression d'éclatement théorique maximale de l'ordre de MPa. La paroi de ce tube se comporte: - cinq couches en matériaux composites fibrerésine enroulées avec un angle faible par rapport à l'axe du tube et reprenant les efforts de traction; ces couches de matériaux composites sont réparties de manière relativement homogène à l'intérieur de la paroi; - d'une couche de matériaux composites fibres de verre-résine ayant un angle d'enroulement voisin de 90 par rapport à l'axe du tube, cette - 8 couche étant disposée à partir de l'intérieur du tube; - d'une couche de matériaux composites fibres de KevLar-résine ayant un angle d'enroulement voisin de 90, par rapport à l'axe du tube, cette couche étant disposée extérieurement par rapport aux fibres de verre. A titre indicatif un tel tube pourra avoir un rayon intérieur de ,3 cm et un rayon extérieur de 7, 3 cm (rapport épaisseur/rayon extérieur: 38; on rappelle que le phénomène ne dépend que des rapports et non des valeurs absolues). Les couches de composites longitudinaux résistant à la pression représentant une épaisseur cumulée de 0,66 cm et son régulièrement réparties. Les couches de composites circonférentiels, c'est-à-dire les couches de résistance à la pression représentent une épaisseur cumulée de 1,34 cm. Le tableau ci-dessous donne les contraintes maximales circonférentielles et radiales calculées dans les différentes couches de composite verrerésine interne d'une part, et Kevlar-résine externe d'autre part, en fonction de leurs épaisseurs respectives, pour une pression interne de 210 MPa. Ce tableau n'est relatif qu'aux couches de résistance à la pression. composite verre | contraintes composite contraintes composites lEpaisseur --------------- verre | Kevlar |I composite Kevlari radiales | circ | radiales | circ 1Q00 % -210 MPa 1050 MPa - - 30173 % -210 960 - 45 900 % -210 927 - 68 923 1 48% -210 895 -91 953 36% -210 867 - 117 1000 24% -210 840 - 144 1060 12% -210 820 - 175 1144 0% -219 1250 -- 9 - Le tableau ci-dessus regroupe les contraintes radiales et circonférentielles de la couche composite verre et de la couche composite Kevlar exprimées en MPA. On note donc bien Le phénomène suivant: le frettage des couches de verre par des couches externes de Kevlar présentant un module d'élasticité circonférentiel plus important entraine, à épaisseur égale de matériau, une diminution des contraintes maximales, tant dans le verre que dans le Kevlar, et corrélativement une augmentation des contraintes admissibles et de la pression d'éclatement et de service du tube. D'autre part, les contraintes circonférentielles induites dans les couches Kevlar de résistance à la pression peuvent être plus importantes, compte tenu de ce que les contraintes radiales sont diminuées. Ainsi, si l'on admet, par exemple, que les contraintes maximales admissibles sont les mêmes dans te composite Kevlar et le composite verre, et si l'on prend pour critère de rupture la seule contrainte maximale circonférentielle induite, la proportion optimale se situe de 60 % pour laquelle les contraintes correspondantes dans le composite verre et le composite Kevlar sont identiques. Le gain de performance est alors de l'ordre de 10 % sans avoir changé l'épaisseur du tube. Si l'on prend comme critère de résistance un critère combiné, la proportion optimale sera plus faible, probablement de l'ordre de 30 à %, avec un gain de performance induit pouvant atteindre 15 à 20 %. En effet, aux très hautes pressions, le matériau de la paroi doit résister à la traction circonférentielle de lamé et à la compression hydrostatique: à 2 100 bars (21 hbars de contrainte de compression radiale transverse sur le composite), les critère (Tsai-Hill par exemple) indiquent que les caractéristiques en traction dans le sens des fibres sont considérablement réduites. Le frettage permet de décharger considérablement en traction les fibres internes qui 262817? - 10 - reprennent la compression transverse maximale et reportent cette traction sur les fibres externes du matériau plus rigides et moins chargées en compression transverse. On pourra sans sortir du cadre de l'invention diminuer ou augmenter le nombre de couches résistant à la pression ou à la traction et modifier la répartition de ces couches. 2628 1 77 - 11 - R E V E N D I C A T I O N S REVENDI CATIONS 1. - Tube en matériau composite, résistant à la pression interne, et comportant au moins deux couches de fibres de renfort de pression, ou couche de résistance à la pression, enroulées sous un angle au moins égal en valeur absolue à 70 0, par rapport à l'axe du tube, les deux couches ayant toutes deux une dilatation radiale sous l'effet de la pression, l'une de ces deux couches étant intérieure à l'autre, caractérisé en ce que le module d'élasticité circonférentiel de La couche extérieure est supérieure au module d'élasticité circonférentiel de la couche intérieure. 2. - Tube selon la revendication 1, comportant une couche intermédiaire de renfort de pression intercalée entre lesdites couches intérieure et extérieure, caractérisé en ce que le module d'élasticité circonférentiel de la couche intermédiaire est compris entre les modules d'élasticité circonférentiels des matériaUx des couches intérieure et extérieure. 3. - Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'aucune couche en dessous de ladite couche extérieure n'a un module d'élasticité supérieur à celui de ladite couche extérieure. 4. - Tube selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que ledit angle est au moins égal à 80 et, de préférence, proche de 90 . 5. - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couche intérieure de résistance à la pression comporte des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est voisin 000 MPa telles des fibres en verre, et ladite couche extérieure de résistance à la pression comporte des fibres de renfort dont le module d'Young longitudinal est voisin de 140 000 MPa, telles des fibres en Kevlar 49, et en ce que le rapport de l'épaisseur de la couche - 12 - intérieure à celle de La couche extérieure est compris dans L'intervalle 0,20-0,60 et de préférence 0,20-0,50. 6. - Tube selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couche intérieure de. résistance à la pression comporte des fibres de renfort dont Le module d'Young longitudinal est voisin de 000 MPa, telles des fibres en KevLar 49, et ladite couche extérieure comporte des fibres de renfort dont le module d'Young Longitudinal est sensiblement compris entre 200 000 et 300 000 MPa, telles des fibres en carbone, et en ce que le rapport de l'épaisseur de la couche intérieure de résistance à la pression à celle de la couche extérieure de résistance à la pression est compris dans l'intervalle 0,15-0,30. 7. - Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de fibres de renfort résistant à la traction. 8. - Tube selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fibres de la couche extérieure de résistance à la pression sont précontraintes en traction, en l'absence de pression à l'intérieur du tube. 9. - Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches de fibres de renfort résistant à la traction et réparties dans l'épaisseur dudit tube. 10. - Application du tube selon l'une des revendications 1 à 10 pour la réalisation de tube dont la pression à l'éclatement est voisine ou supérieure à 100 MPa, servant au transfert ou au stockage de fluides. anb!un"Id