Brevet FR2761449A1 — publié le 19981002

La présente invention concerne la conception et la réalisation de tuyaux dits à double enveloppe tels que ceux qui sont utilisés, par assemblage en série bout à bout, pour constituer des canalisations de type pipeline, en particulier des canalisations à poser en mer, comme les pipelines qui servent à véhiculer les produits pétroliers extraits des sols sous-marins. On sait que de tels tuyaux comportent généralement deux enveloppes tubulaires métalliques, montées coaxialement l'une dans l'autre, à savoir un tube interne qui constitue le conduit de guidage du fluide à véhiculer et un tube externe qui entoure le premier et le protège des influences extérieures. Les deux tubes délimitent entre eux un espace annulaire servant principalement d'enveloppe d'isolation thermique. On sait également, d'après des solutions technologiques précédemment décrites et mises en oeuvre par la société demanderesse, qu'une isolation efficace demande que cet espace soit fermé étanche aux deux bouts de chaque tuyau, et qu'il est même souvent utile de pouvoir y faire et maintenir le vide, que cette enveloppe isolante soit ou non remplie d'un matériau calorifuge. Une solution particulièrement bien adaptée pour fermer l'espace annulaire formant enveloppe isolante consiste à équiper chaque tuyau, à chaque extrémité, d'une pièce intermédiaire de raccordement, de forme annulaire tronconique, qui relie les deux tubes, en s'évasant du tube interne au tube externe de la partie courante du tuyau vers son extrémité de jonction avec le tube adjacent, le tube externe étant par ailleurs plus court que le tube interne. L'intérêt reconnu d'une telle disposition réside dans le fait que, lors des opérations de soudage en raboutement de deux tuyaux successifs, elle laisse suffisamment de place entre leurs tubes externes pour que le. outils de soudage accèdent aisément aux faces terminales des tubes internes disposées bout-à-bout afin de les souder ensemble. De manière générale, l'assemblage entre les tubes externes correspondants s'effectue ensuite, également par soudage, mais en interposant entre les faces terminales des tubes externes, un manchon de jonction qui permet d'assurer la continuité entre les tuyaux, et ce à la fois du point de vue mécanique et du point de vue thermique, pour peu que l'espace compris entre le manchon et les pièces de fermeture intermédiaires reçoive un remplissage approprié. Les problèmes que l'invention propose de résoudre se posent principalement au moment du raboutement des tuyaux successifs, lors des opérations de soudage qui, après soudage des tubes internes, fixent un manchon de jonction entre les tubes externes. Mais, secondairement, ils se posent aussi tout au cours de la vie de la canalisation ainsi formée, car celle-ci doit supporter des contraintes dues à de fréquentes variations de forme, de température ou de pression. Or toutes les réalisations technologiques antérieures ne font pas la moindre différence entre les deux pièces intermédiaires de fermeture de l'enveloppe isolante, qui sont symétriques. Pour résoudre les difficultés connues de l'art antérieur et assurer de meilleures performances en sécurité lors de la pose de la canalisation et en longévité de la canalisation posée, la présente invention propose de réaliser l'une des deux pièces annulaires intermédiaires fermant l'enveloppe isolante entre tube interne et tube externe aux extrémités longitudinales de chaque tuyau, de telle sorte qu'elle soit souple et sélectivement déformable, l'autre étant relativement non déformable. Conformément à l'invention, il est avantageux que la pièce déformable présente ainsi une souplesse suffisante, principalement dans le sens longitudinal (parallèlement a l'axe du tuyau), pour qu'elle soit capable à elle seule d'encaisser sans rupture les déformations qui apparaissent lors des opérations de raboutement entre les tuyaux successifs, essentiellement celles intervenant du fait des retraits de soudure. Conformément à une caractéristique secondaire de l'invention, la pose de la canalisation sera effectuée en présentant à l'avant l'extrémité du tuyau à pièce intermédiaire déformable, pour l'assembler avec l'extrémité arrière du tuyau précédent déjà posé, où la pièce intermédiaire de fermeture de l'enveloppe isolante est au contraire relativement non déformable. La capacité de déformation longitudinale, propre à encaisser sans rupture l'ensemble des contraintes dues aux retraits de soudure lors de la pose, peut être assurée de diverses manières, choisies parmi celles qui sont en ellesmêmes connues, mais dans des applications très différentes. De préférence, il s'agira de conformer la paroi annulaire de la pièce tronconique avec un redan de section en une situation intermédiaire sur sa longueur, entre son extrémité à grande section soudée en bout du tube externe du tuyau correspondant et son extrémité à faible section soudée en bout du tube interne, mais située en retrait de la précédente. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 illustre, en coupe longitudinale, un tuyau complet tel qu'il est amené sur le site de pose de la canalisation - la figure 2 représente une partie de la canalisation au niveau de la jonction entre deux tuyaux assemblés bout a bout - la figure 3 montre une pièce de fermeture de l'enveloppe isolante qui est localement déformable. Un tuyau 1 suivant l'invention, réalisé sous forme dite à double enveloppe, comporte deux tubes coaxiaux, à savoir un tube interne 2 et un tube externe 3. Ces deux tubes déterminent entre eux un espace annulaire formant enveloppe isolante, que l'on voit sur la figure 1 rempli d'un matériau calorifuge 4 le long de toute la partie courante du tuyau, donc sauf au voisinage immédiat de ses extrémités opposées. Des espaceurs 9, répartis sur la longueur du tuyau, sont là pour maintenir les tubes dans leur disposition coaxiale et les éléments massifs du matériau calorifuge dans leur positionnement longitudinal. Pour améliorer la qualité d'isolation thermique, il est en outre prévu de faire plus ou moins complètement le vide dans l'espace annulaire de l'enveloppe isolante. Les différents tuyaux nécessaires pour constituer une canalisation, tels celui de la figure 1, sont fabriqués en usine avant d'être amenés sur un chantier flottant de pose en mer, ou barge. Là s'effectue la réalisation de la canalisation, de manière progressive tout en la laissant plonger dans la mer, par assemblage des tuyaux successifs, chaque tuyau amont de la série venant se fixer en bout du tuyau aval déjà posé qui le précède. Compte tenu de la matière constituant les tubes, à savoir l'acier, l'assemblage implique des opérations de soudage à haute température (1500 à 2000 OC), qui portent d'abord sur les faces terminales des tubes internes, et ensuite sur les faces terminales des tubes externes. A chacune de ses extrémités, chaque tuyau 1 est équipé d'une pièce annulaire intermédiaire, 5 ou 6, en métal, qui raccorde de manière étanche le tube externe 3 avec le tube interne 2, pour fermer l'enveloppe isolante de la partie courante du tuyau. Cette pièce, de forme générale tronconique, est fixée par soudure, tout autour de chacune de ses parties extrêmes, respectivement sur la face interne du tube externe 3 au voisinage immédiat de son extrémité terminant le tuyau, et d'autre part sur la face externe du tube interne 2, mais dans une zone plus éloignée de l'extrémité du tuyau. En conséquence, chaque pièce annulaire tronconique 5-6 va en s'évasant de la partie courante vers l'extrémité du tuyau, du moins dans un exemple préféré de mise en oeuvre de l'invention tel que décrit ici. Par ailleurs, et comme on le voit bien sur les figures, le tube interne 2 dépasse en longueur du tube externe 3 à chaque extrémité du tuyau, ceci afin de faciliter les opérations de raccordement entre tuyaux successifs bout à bout. Entre les tubes externes, il est donc prévu un manchon de jonction 7 (figure 2), qui vient se fixer par soudure, d'une part à l'arrière 11 du tube externe 3a du tuyau aval la faisant déjà partie de la canalisation posée, et d'autre part sur l'avant 12 du tube externe 3b du tuyau suivant venant s'y rajouter, ou tuyau amont lb. En pratique, ce manchon 7 est fait de deux demi-coquilles que l'on soude ensemble sur place, le long de deux génératrices. Au cours de ces opérations sur le site de pose, les deux pièces 5-6, plus exactement la pièce arrière 6a du tuyau aval la et la pièce avant 5b du tuyau amont lb, ont à subir des efforts mécaniques importants, car le chauffage des zones de soudure provoquent des phénomènes de dilatation thermique, suivies par l'apparition de retraits de soudure au refroidissement. Les pièces 5-6 étant beaucoup plus courtes que les tubes 2 et 3, elles sont normalement beaucoup plus rigides que ces derniers, bien qu'elles soient par ailleurs plus fines. De ce fait, elles tendent à empêcher le retrait thermique de se faire et à engendrer des contraintes mécaniques importantes dans les soudures et dans les pièces elles-mêmes d'où des risques de fissuration et de fracturation qui sont inadmissibles si l'on entend préserver la fermeture étanche de l'enveloppe isolante 8. C'est là principalement qu'intervient la finalité d'une réalisation différente des pièces 5 et 6, afin que l'une 6 reste sensiblement rigide, et que l'autre 5 soit au contraire sélectivement déformable pour laisser le retrait de soudure être absorbé par le tube 3b, ce qui élimine quasiment les contraintes induites. La figure 3 montre d'une manière plus précise la forme de la pièce déformable 5. Alors que sa paroi annulaire est d'épaisseur constante comme la paroi à génératrice rectiligne de la pièce 6, on y voit que dans une partie intermédiaire de sa longueur, elle présente une zone de souplesse, matérialisée par un redan 15 déterminant dans sa paroi une réduction de section droite entre deux épaulements internes. Elle est ainsi rendue localement déformable. Comme il ressort clairement des figures, il est préférable, en pratique industrielle, d'éviter les angles droits dans la configuration du redan (15), lequel est donc de préférence à angles arrondis. La pièce déformable ayant à travailler essentiellement en flexibilité longitudinale, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du tuyau, les effets recherchés conformément à l'invention peuvent également être obtenus au moyen d'une série de plusieurs redans analogues, répartis sur la longueur de la pièce, et préférentiellement dans sa partie médiane. De manière toutefois moins avantageuse dans le cas décrit, l'invention pourrait également être mise en oeuvre, par exemple, en remplaçant les redans tels le redan unique 15, par une partie en matière élastiquement déformable comme le caoutchouc ou les autres élastomères, reliant de manière étanche deux parties métalliques de la même pièce. Les tuyaux ainsi réalisés présentent comme principal intérêt que lors des opérations de soudage des tuyaux bout à bout, les déformations qui en résultent, notamment celles engendrées par les retraits de soudure, se traduisent essentiellement sur la pièce déformable en complément du tube externe auquel elle est liée, en épargnant ainsi les pièces non déformables. En pratique, entre les deux pièces 5-6, c'est à la pièce 5, et à elle seule, qu'il revient d'absorber les déformations, dans la mesure où elle présente, comparativement à l'autre 6, une grande flexibilité au moins dans le sens longitudinal parallèlement à l'axe du tuyau et une faible raideur. Des exemples de dimensionnement pratique impliquent des tuyaux de 24 m de longueur (plus généralement de 12 m à 24 m dans les réalisations industrielles actuelles), avec des tubes d'une épaisseur de 10 à 40 mm pour le tube interne et 10 à 20 mm pour le tube externe, et des pièces d'étanchéité 5-6 dont la longueur est de l'ordre de 40 à 80 cm (typiquement 60 cm) et dont l'épaisseur de paroi est comprise entre 3 et 15 mm (elle est typiquement de 6 mm). D'une manière générale, les pièces 5-6 présentent une épaisseur de paroi notablement plus faible que les tubes des tuyaux (par exemple la moitié) et une longueur beaucoup plus faible (10 à 20 fois moins). Du point de vue de leur forme tronconique, on admet ici que l'enveloppe isolante présente une épaisseur de l'ordre de 5 à 30 mm entre un tube interne de diamètre compris entre 20 et 50 cm et un tube externe de diamètre compris entre 30 et 60 mm. Dans le cadre de l'invention, la pièce déformable 5 est capable d'absorber une déformation conséquente en élongation longitudinale, sans remettre en cause les fonctions qu'elle assure dans la fermeture étanche de l'espace annulaire entre les deux tubes et dans le maintien de ceux-ci centrés l'un dans l'autre. Ce faisant, elle est en quelque sorte invisible pour les autres éléments mécaniques. En particulier, la pièce d'étanchéité non déformable équipant l'extrémité arrière de chaque tuyau subit d'autant moins de contraintes que celles-ci sont absorbées par la pièce déformable située à l'avant du tuyau suivant, et elle ne subit aucune déformation. Egalement, le manchon 7 ne court plus de risque de fissuration à chaud lors de la soudure des demi-coquilles qui le constituent. A titre d'exemple, la raideur de la pièce déformable 5, toujours essentiellement dans la direction longitudinale, est au moins 10 fois inférieure à celle de la pièce non déformable 6. Si au contraire, la pièce 5 était symétriquement identique à la pièce 6, y compris dans son comportement en résistance mécanique, il en découlerait, de par la faible longueur de ces pièces par rapport à celle de chaque tuyau, que leur raideur relativement importante leur ferait supporter en quasi-totalité le retrait de soudure consécutif à la présence du manchon de jonction 7. Or à titre d'exemple, pour une longueur cumulée de la zone de jonction comprenant le manchon 7 et les deux pièces 6a et 5b (figure 2) de l'ordre de 1,5 m, le retrait de soudure à supporter est de l'ordre de 2,5 à 5 mm suivant l'axe longitudinal des tuyaux. Les contraintes engendrées seraient alors de l'ordre de 1400 MPa, cette valeur étant calculée sur la base du module de Young de l'acier. Grâce à l'invention, la contrainte engendrée est limitée à un ordre de grandeur de 50 MPa. Mais de la manière décrite ci-dessus, on parvient à réaliser des canalisations complètes dont la longévité est assurée en résistance mécanique et en étanchéité. Si même les conditions d'utilisation viennent à faire subir aux tuyaux des contraintes d'origine purement mécanique, notamment en flexion, ou des contraintes résultant d'effet thermique ou de variation de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la canalisation, une défaillance éventuelle d'une pièce d'étanchéité déformable peut se produire sans que la rupture d'étanchéité qui en résulte se propage le long de la canalisation, dans la mesure où dans chaque zone de jonction entre deux tuyaux successifs, il se trouve une pièce d'étanchéité symétrique, mais non déformable qui, elle, sera capable de reprendre les efforts mécaniques sans risque de fracture ou de destruction de l'étanchéité. REVENDICATIONS 1. Tuyaux à double enveloppe pour canalisation de type pipeline à constituer par assemblage de tels tuyaux en série, caractérisé en ce que chaque tuyau (1) comporte deux tubes métalliques, qui sont montés coaxialement l'un dans l'autre, à savoir un tube interne (2) et un tube externe (3), et qui délimitent entre eux une enveloppe annulaire d'isolation thermique, en ce que ladite enveloppe d'isolation thermique (8) est fermée aux extrémités du tuyau par deux pièces annulaires tronconiques (5, 6) reliant de manière étanche son tube interne et son tube externe, et en ce que l'une (5) desdites deux pièces, est sélectivement déformable sous l'effet des retraits de soudure se produisant lors de l'assemblage de deux tuyaux successifs de la série bout à bout, l'autre (6) desdites pièces étant au contraire relativement non déformable. 2. Tuyau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce sélectivement déformable (5) présente une zone de souplesse lui conférant une capacité locale de déformation sans rupture, principalement en allongement parallèlement à l'axe du tube, suffisante pour qu'il lui revienne à elle seule comparativement à l'autre d'absorber ensemble des déformations résultant des retraits de soudure lors du raboutement des tuyaux successifs (la, lb) avec interposition d'un manchon de jonction (7) entra leurs tubes externes (3a, 3b) respectifs, les tub internes (2) dépassant en longueur des tubes externes (3) à chacune des extrémités longitudinales du tuyau (1). 3. Tuyau suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites pièces (5-6) de fermeture étanche de l'enveloppe isolante (8) sont de forme générale tronconique et sont disposées s'évasant du tube interne au tube externe de la partie courante du tuyau vers 1 'extrémité correspondante. 4. Tuyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de la pose de la canalisation, ladite pièce déformable (5b) est présentée à l'avant d'un tuyau amont (lb) qui est à raccorder sur l'arrière d'un tuyau aval (la) déjà posé où ladite pièce correspondante (6a) est non déformable. 5. Tuyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans une partie intermédiaire de sa longueur, ladite pièce annulaire sélectivement déformable (5) présente une zone de souplesse matérialisée par un redan (15) déterminant dans sa paroi une réduction de section droite entre deux épaulements internes. 6. Tuyau suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les angles dudit redan (15) sont arrondis. 7. Procédé de réalisation d'une canalisation du type pipeline par assemblage bout à bout de tuyaux successifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, de manière progressive tout en la laissant plonger dans la mer, caractérisé en ce que lesdits tuyaux (1) sont conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 5 et en ce que chaque tuyau amont de la série venant se fixer par soudure en bout d'un tuyau aval déjà posé qui le précède présente son extrémité avant comportant ladite pièce déformable (5) pour raboutement avec l'extrémité arrière du tuyau aval comportant ladite pièce non déformable (6).