Brevet FR2641841A1 — publié le 19900720

La présente invention est relative à un procédé pour fixer un embout métallique sur un tube en un matériau composite et au tube ainsi réalisé. De tels tubes en matériau composite sont destinés à être notamment utilisés dans la recherche pétrolière en mer. Dans ce domaine particulier, les tubes et leurs embouts doivent résister à des forces de traction pouvant atteindre, dans les conditions normales d'utilisation, un million de newtons environ; c'est pourquoi on préfère encore actuellement utiliser des tubes métalliques à embouts métalliques dont on connaît parfaitement la résistance à de telles charges. En effet, on a pu calculer que le flux de traction exprimé par la formule T, dans laquelle T est l'effort de traction et D le diamètre du tube, peut atteindre dans ce domaine, environ 3 500 000 newtons/mètre. Dans ce domaine comme celui de la recherche pétrolière en mer, les tubes en matériau composite munis d'embouts métalliques, dont les performances peuvent être comparables à celles des tubes métalliques actuels, présentent des avantages certains notamment du fait de leur résistance à la fatigue et à la corrosion, et de leur moindre poids. On notera par ailleurs que des liaisons connues de tubes en matériaux composites munis d'embouts qui seraient également en composite seraient inacceptables pour ces applications particulières car elles ne permettraient pas non plus d'atteindre les performances requises. On connaît actuellement des procédés industriels pour réaliser des tubes en matériau composite muni d'embouts métalliques, et capables de supporter des efforts de traction importants. Selon un premier procédé tel que décrit dans le brevet français 2 509 011 au nom de la Demanderesse, on place un insert métallique conique à l'extrémité d'un tube en matériau composite et entre la surface externe de cet embout et la paroi interne du tube est disposée une feuille d'élastomère qui est collée sur cette surface externe, aussi les charges sont transmises par l'intermédiaire de cette couche élastomère. Après une première polymérisation du tube, un second élément métallique en forme de coquille est disposé sur le composite polymérisé puis fretté par un bobinage circonférentiel par exemple de fibres de verre. La liaison métalcomposite est assurée aussi par l'intermédiaire d'une autre couche élastomère et une seconde cuisson est alors nécessaire pour assurer la polymérisation du frettage externe et des films de colle. Selon un autre procédé permettant d'assembler un tube réalisé par enroulement de filaments à un autre corps, des enveloppes métalliques creuses et tubulaires sonr intercalées entre des couches de fibres réalisées par enroulement de filaments espacés dans le sens radial, et cela au niveau des extrémités. La liaison est assurée par des dispositifs de fixation qui traversent le composite et les envelcppes métallioues. Dans ce cas l'effort de traction appliqué à l'embout métallique est transmis à la structure composite par effet de matage. Mais avec ces procédés la fabrication est longue et cotteuse car elle nécessite, soit des interventions manuelles nombreuses durant la fabrication, soit des cycles de fabrication longs notamment à cause de plusieurs cycles de poiymérisation et des nombreuses manutentions qu'ls occasionnent, soit encore des outillages spécifiques qui sont indispensables à une bonne qualité de fabrication, comme par exemple le perçage et la mise en place des dispositifs de fixation évoqués pour le 2ème procédé. Il existe encore un autre procédé d'assemblage d'un embu-,t métallique et d'un tube en matériau composite haute-pression dans lequel l'extrémité d'une pièce en matériau composite recouvre un embout dont l'extrémité porte un épaulement, par exemple de forme trapézoïdale, autour duquel sont bobinées des fibres de renfort du matériau composite, embout dont l'autre extrémité comporte un raccord haute-pression pour l'assemblage avec la pièce métallique à raccorder. Les angles de bobinage par rapport à l'axe du conduit, sont choisis de l'ordre de 50 à 60 , ce qui est important et entraîne une tenue longitudinale faible qui pénalise la résistance en traction, et augmente les effets d'allongement du tube composite. Un des buts de l'invention consiste par conséquent en un procédé qui évite les inconvénients propres aux systèmes connus évoqués précédemment et qui permette de fixer un embout métallique sur un tube en matériau composite suivant une procédure simple, nécessitant un minimum d'interventions manuelles et donc automatisables. Un objet de l'invention consiste donc en un procédé pour intégrer un embout métallique à un tube en matériau composite bobiné qui consiste à bobiner en continu 2C des fibres essentiellement longitudinales à la fois autour d'un mandrin cylindrique pour constituer la partie courante du tube composite et autour d'un embout métallique ayant la forme d'un double cône et à fretter ensuite ces fibres loncitudinaies sur l'embout métallique par des fibres circonférentielles avant d'assurer une polymérisation finale du tube, des moyens complémentaires étant prévus pour favoriser l'intégration dudit embout dans le tube, et limiter ainsi l'allongement dudit tube. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le moyen complémentaire pour favoriser l'intégration dudit embout dans le tube consiste à bobiner les fibres ou les nappes de fibres constituant le tube, en faisant retour sur des picots répartis sur la périphérie d'une partie qui prolonge l'embout métallique double-cône, les picots étant avantageusement montés sur une bague positionnée sur la partie filetée extérieurement. D'autre part une fibre ou une nappe de fibres longitudinales peut faire retour autour de deux picots en ayant une trajectoire circonférentielle entre les deux picots qu'elle contourne. Selon une variante de réalisation l'accrochage des fibres longitudinales constituant le tube est assuré à l'aide d'aiguilles ou de crochets répartis sur la périphérie d'une partie qui prolonge l'embout métallique double cône. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, préalablement au bobinage en continu des fibres longitudinales, on bobine sur la partie du mandrin, non coiffée par l'embout, une peau d'étanchéité en élastomère. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à couper le composite non encore polymérisé iorsque toutes les fibres longitudinales sont en place, à retirer la bacue avec ses picots, à avancer un écrou sur la partie jusqu'à venir en butée contre l'extrémité de la partie conique de l'embout puis à bobiner les fibres circonférentielies aui sont calées par l'écrou avant d'assurer la polymérisation finale. Selon une variante est aussi prévu un moyen complémentaire pour favoriser l'intégration dudit embout dans le tube et limiter ainsi l'allongement dudit tube qui consiste à lier le composite à i'embout métallique par collage, le collage étant avantageusement assuré au niveau de l'interface par l'intermédiaire d'une feuille élastomère. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrit en faisant référence aux dessins annexés qui représentent: Ficure 1 une vue schématique en coupe d'un tube composite lié à l'embout métallique; Figure 2 une vue schématique en coupe d'une variante de 1a figure 1. Figure 3 une vue schématique en coupe d'un autre mode simplifié de liaison. Figure 4 une vue schématique en coupe d'une variante de la figure 3. On a représenté à la figure 1 un embout métallicae 2 de forme dite à double-cône, c'est-à-dire dont la paroi extérieure s'épaissit progressivement à partir d'une de ses extrémités jusqu'à son diamètre extérieur D le plus important puis décroit en direction de son autre extrémité. Cet embout 2 est destiné à être enveloppé dans des fibres longitudinales qui constituent le tube 1 en matériau composite. Un frettage en fibres circonférentielles 7 recouvre le tube et l'embout et maintient solidement les fibres composites longitudinales en contact étroit contre l'embout ainsi inséré dans les fibres. On comprend au'avec une telle disposition, un effort de traction appliqué à l'embout soit transmis au composite par effet de coincement; l'épaisseur du frettage circonférentie! 7 est calculée de manière à reprendre les efforts radiaux induits par la forme conique de!'insert. En effet un effort de traction tend à écarter le composite et si le frettage 7 est suffisant, l'embout 2, du fait de sa forme à double-cône ne peut s'écarter et reste emprisonné. L'efficacité de cette connexion par coincement est maximum lorsque l'embout s'est déplacé par rapport au composite, car il y a autoserrage. Quant aux fibres longitudinales constituant le tube 1, destinées à reprendre les efforts de traction dans le tube, elles sont bobinées avec des angles pouvant aller de 5 à 40 par rapport à l'axe du tube. Le tube peut comprendre également sur sa partie courante des fibres circonférentielles 6. L'embout métallique double-cône 2 ainsi représenté est prolongé par une partie Il filetée extérieurement, qui est destinée à servir au raccordement de différents tubes entre eux. On profite de ce filetage pour positionner une bague 8 sur la périphérie de laquelle sont implantés une série de picots 9, qui peuvent être inclinés par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du tube. Cette inclinaison permet de faciliter l'accrochage. Quand on veut réaliser cet ensemble de liaison, ou commence par enfiler sur un mandrin support 4 l'embout 2 muni de sa bague 8. Puis on bobine sur la partie de mandrin nor. coiffée par l'embout, une peau d'étanchéité en élastomère 5. Ensuite les fibres longitudinales constituant le tube 1 sont bobinées en continu en faisant retour autour des picots 9 portés par les bagues 8. Plus précisément une fibre longitudinale ou une nappe de fibres longitudinales vient contourner un picot 5 puis, selon une petite trajectoire circonférentielle, va atteindre un autre picot 9 voisin pour le contourner lui-méme et faire retour pour repartir longitudinalement audessus de l'embout et du tube. On notera que les fibres peuvent ainsi contourner un seul picot ou deux picots immoédiatement voisins ou encore deux picots non immédiatement voisins. Dans ce dernier cas les fibres on; une trajectoire circonférentielle au-dessus de la bague 8 entre les deux picots qu'elles contournent. Ainsi les fils sont-ils stabilisés lors de l'inversion du sens de dépose des fibres longitudinales. A la suite de cela, comme indicué précédemment, un enroulement circonférentie 7 vient fretter lesdites couches longitudinales sur l'embout métallique 2. Une polymérisation finale du tube donne au composite ses propriétés définitives. Le produit obtenu tel que représenté à la figure 1 maintient les picots 9 à l'intérieur de l'enroulement circor.férentiel 7. Les efforts sont alors transmis de l'embout métallique au composite par l'enroulement des fils longitudinaux autour des picots. Dans une autre forme de réalisation, telle que représentée à la figure 2, les picots 9 ne sont pas implantés dans une bague, comme dans le cas précédent, mais sont intégrés directement dans une extrémité 2a de l'embout 2 modifié en conséquence, la partie:l, filetée, venant en prolongement de cette extrémité 2a. Comme pour l'exemple de la figure 1, un enroulement circonférentiel 7 vient fretter les couches longitudinales 1 qui contournent les picots avant la polymérisation finale du tube. On peut prévoir en variante plusieurs rangées de picots selon les performances demandées au tube. Ces enroulements autour des picots permettent de diminuer le phénomère de déplacement longitudinal de l'embout par rapport au tube composite dont on a vU plus haut qu'il favorisait l'autoserrage de la connexion, et de limiter ainsi un allongement global de l'ensemble, qui serait inacceptable. Cette disposition, dans le cas d'applications pétrolières permet d'obtenir une I0 sécurité de raccordement en cas de dépassement de limite à la rupture en traction. En effet l'association de ce système de liaisons rigides mettant en oeuvre les picots et du système de liaison souple que constitue l'embout double- cône, fait que la rupture éventuelle du système de raccordement interviendra d'abord au niveau des picots, mais l'ensemble du système autoserrant à double cône restera efficace et maintiendra suffisamment le raccrdement pour permettre la sauvegarde de la ligne de tubes en mer. Cette disposition constitue donc un système 2C de sécurité dit "fail-safe". Selon un mode simplifié de réalisation tel que représentée à la figure 3, lorsque toutes les nappes longitudinales sont en place, le composite non encore pclymérisé est coupé, la bague à picots est retirée, puis un écrou 10 est avancé sur le filetage 11 jusqu'à venir en butée contre l'extrémité de la partie conique de l'embout 2. Puis un renfort de fibres circonférentielle 7 est bobiné, son extrémité étant maintenue et calée par l'écrou 10. Une polymérisation finale donne au tube sa rigidité. Dans ce cas particulier qui représente une version simplifiée de réalisation, l'allongement lié à la traction peut être relativement important, et seulement compensé par un effet de coincement entre le tube et l'embout double cône 2 c'est pourquoi, on a intérêt, comme représenté à la figure 4 & lier le composite à l'embout métallique 2 par collage par exemple à l'aide de colle époxy, au niveau de l'interface embout-tube par l'intermédiaire d'une feuille élastomère 3. Les mouvements relatifs du métal par rapport au composite seront alors limités à la déformation en cisaillement des couches d'accrochage constituées de la couche d'élastomère 3 qui prolonge la couche élastomère 5 prévue autour de la partie courante du tube. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits mais en englobe les variantes notamment en ce qui concerne les moyens d'accrochage des fibres longitudinales qui peuvent être des aiguilles, des crochets ou systèmes analogues pouvant remplacer les picots. REVENDICATiONS 1.- Procédé pour intégrer un embout métallique à un tube en matériau composite bobiné, caractérisé en ce qu'il consiste à bobiner en continu des fibres essentiellement longitudinales (1) à la fois autour d'un mandrin (4) cylindrique pour constituer la partie courante du tube composite et autour d'un embout métallique (2) ayant la forme d'un double cône et à fretter ensuite ces fibres longitudinales sur l'embout métallique par des fibres circonférentielle (7) avant d'assurer une polymérisation finale du tube et en ce que des moyens complémentaire (3, 9, 10) sont prévus pour favoriser l'intégration dudit embout dans le tube, et limiter ainsi l'allongement dudit tube. 2.- Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que les fibres longitudinales constituant le tube (1) sont bobinées selon des angles variant de 5 à par rapport à l'axe du tube et limiter ainsi l'a!longement dudit tube.. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (1) comporte également sur sa partie courante des fibres circor.nférentielles 6. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen complémentaire consiste à bobiner les fibres ou nappes de fibres constituant le tube, en faisant retour sur des picots (9) répartis sur la périphérie d'une partie (2a, 11) qui prolonge l'embout métalliaue doubie-cône. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les picots (9) sont intégrés dans une extrémité (2a) de l'embout (2) modifié. 6.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les picots (9) sont montés sur une bague (8) positionnée sur la partie (il) filetée extérieurement. 7.- Procédé selon les revendications 4,5 et 6, caractérisé en ce que les picots (9) sont inclinés par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du tube. 8.- Procédé selon les revendications 4 à 7 caractérisé en ce que l'on prévoit plusieurs rangées de picots sur la partie prolongeant l'embout métallique double-cône. 9.- Procédé seclon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen complémentaire consiste à réaliser l'accrochage des fibres longitudinales constituant le tube à l'aide d'aiguilles-ou de crochets répartis sur la périphérie d'une partie oui prclonge i'embout métallique double-cône. 10.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement au bobinage en continu des fibres longltudinales (i), on bobine sur la partie du mandrin (4), non coiffé par l'erbout (2) une peau d'étanchéité er. élastomère (5). i1.- Procédé seclon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que une fibre ou une nappe de fibres loncitudinales fait retour autour de deux picots (9) ayant une trajectoire c-rccr.nérentiele entre les deux picots qu'elie contourne. 12.- Procédé selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce cu'i1 ccnsiste à couper le composite non encore polymérisé lcrsue toutes les fibres longitudinales (1) sont en place, à retirer la bague (8) avec ses picots (9), à avancer un écrou (10) sur la partie (11) jusqu'à venir en butée contre l'extrémité de la partie conique de i'embout (2) puis à bobiner les fibres circonférentielles (7) qui sont calées par l'écrou avant d'assurer la polymérisation finale. 13.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen compliémentaire consiste à lier le composite à l'ermbout métaiique par collage. i4.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en-ce que le collage est assuré au niveau de l'interface entre le composite et l'embout métailique par l'intermédiaire d'une feuille élastomère. il 15.- Tube en matériau composite relié à un ebout métallique doublecône réalisé par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.