Brevet FR2804197A1 — publié le 20010727

Dispositif limiteur de propagation d'une déformation dans une conduite à double paroi destiné aux grandes profondeurs La présente invention concerne un dispositif pour limiter ou arrêter la propagation d'une déformation dans une conduite à double enveloppe constituée de deux tubes coaxiaux respectivement intérieur et extérieur, séparés par un espace annulaire, cette conduite étant une conduite rigide de transport de fluides tels que des hydrocarbures, destinée à des très grandes profondeurs. La pose d'un tube ou conduite rigide sur un fond marin est effectuée le plus souvent à partir d'un navire dit de pose. La pose est dite en S lorsque le tube affecte la forme d'un S entre le navire de pose et le fond marin et elle est dite en J lorsque le tube affecte la forme d'un J. Dans ce dernier cas, une rampe de guidage est prévue sur le navire de pose, laquelle rampe peut être parfois immergée partiellement dans l'eau. Le tube rigide à poser est stocké sur le navire de pose soit en tronçons de tube de longueur donnée mais relativement courte, les tronçons de tube étant reliés ensemble au fur et à mesure de la pose, soit enroulé en grande longueur sur une bobine, le tube étant alors déroulé de ladite bobine pendant l'opération de pose. Ces opérations de pose sont décrites dans le document API (American Petroleum Institute) Recommended Practice 17 A de 1987. Lorsque le tube a quitté le navire et lors de la pose dudit tube, il est important que ce dernier ne subisse pas de déformation plastique en flexion qui entraînerait une ovalisation du tube, laquelle ovalisation provoquant un "point singulier faible" qui favoriserait l'initiation d'un écrasement ("collapse" en anglais). Par ailleurs, lorsque le tube est posé sur un fond marin à des profondeurs importantes d'eau (typiquement supérieures à 300 m et pouvant atteindre 2000 m et davantage), la pression hydrostatique s'exerçant sur le tube peut être suffisante pour initier une déformation qui a tendance à se propager le long du tube, dans les deux directions. Bien entendu, la formation de la déformation se fera, en priorité sur un "point singulier faible" lorsqu'il existe sur le tube. Lorsque la déformation se produit, il est alors nécessaire de remplacer au moins la section ou partie du tube comportant la zone déformée ou écrasée. La pression de propagation de la déformation est donnée par la formule 26 x 6o x (T/D)2 5 où 6o est la limite élastique de l'acier, T est l'épaisseur de la conduite et D est le diamètre externe de la conduite. Pour résister à la propagation d'une déformation, il faut que la pression correspondante soit supérieure à la pression hydrostatique. Pour éviter la propagation de la ou des déformations locales, il a été proposé de doter le tube de certains dispositifs ou organes, dénommés des limiteurs de déformation ("buckle arrestor" en anglais). L'API Recommended Practice 1111 donne diverses recommandations et formules qui indiquent à partir de quelle profondeur les limiteurs sont recommandés, nécessaires ou strictement indispensables. De tels dispositifs ont d'abord été proposés dans le cadre des conduites rigides à simple enveloppe. Selon une première solution, on dispose un cylindre à l'intérieur de la conduite. Ainsi, dans US 3 747 356, il est proposé de relier un cylindre à un câble, de loger le cylindre à l'intérieur d'une section de tube puis de dérouler en même temps le tube et le câble, de manière à maintenir le cylindre dans la section de tube pendant la pose de cette dernière jusqu'au contact du tube avec le fond marin. Puis on remonte le cylindre pour le loger dans une autre section de tube à poser et qui est reliée à la précédente. De ce fait, toute déformation susceptible de se produire, pendant la pose du tube, entre le navire de pose et le fond marin est immédiatement arrêtée et n'est donc pas autorisée à se propager le long des sections du tube. Toutefois, une telle proposition ne présente aucune solution ou efficacité pour arrêter les déformations susceptibles de se propager après la pose définitive du tube sur le fond marin. Selon une deuxième solution, on utilise une bague de renfort (éventuellement en deux parties, constituant un "clamp") intérieure ou de préférence extérieure. Ainsi, dans US 3 768 269, il est proposé d'augmenter localement la rigidité du tube en disposant, à intervalles réguliers par exemple à des intervalles compris entre 100 m et 500 m, des bagues de renfort dont la longueur est comprise entre lm et 2,5 m. Une telle solution n'est valable que pour des tubes posés par sections car les bagues de renfort peuvent être montées et fixées en usine sur les sections de tube, puis transportées par le navire de pose jusqu'au lieu de pose. Lorsque le tube est de grande longueur et enroulé sur une bobine de stockage, il devient alors pratiquement impossible d'enrouler le tube avec ses bagues de renfort sur une bobine car elles induiraient des parties rectilignes ou sensiblement rectilignes et non déformables dans l'enroulement du tube sur la bobine de stockage. Pour pallier cette difficulté, il est possible d'envisager de monter et fixer les bagues de renfort pendant les opérations de pose. Mais alors cela nécessiterait d'interrompre la pose, à intervalles réguliers, afin de monter et fixer les bagues de renfort. Selon une solution alternative connue par ce même brevet ou par les documents GB 1383527 ou US 5458441, le renforcement localisé peut prendre la forme d'un manchon intermédiaire de plus forte épaisseur soudé aux extrémités de la conduite. Selon une troisième solution, on utilise une tige spiralée sur la paroi externe du tube. Ainsi, pour permettre l'enroulement du tube sur une bobine, le document US 4 364 692 propose d'enrouler une tige autour du tube, de manière serrée, de façon à former un certain nombre de spires qui peuvent être soudées par leurs extrémités à la tige elle-même et/ou au tube. Suivant une autre forme de réalisation, les spires peuvent être individuelles en soudant les deux extrémités et en les espaçant régulièrement sur la partie du tube à renforcer. Tant que le tube est simple, l'accroissement du diamètre dans les parties renforcées peut être acceptable. Mais, lorsque le tube est du type à double enveloppe ("pipe in pipe" en anglais) c'est-à-dire comprenant un tube interne ("liner pipe" en anglais) qui est enfilé sur le tube interne, l'accroissement du diamètre du tube externe est inacceptable pour le transport et le stockage de grandes longueurs de tubes à double enveloppe. De plus, lorsque le tube rigide à poser est fabriqué en grande longueur à terre puis enroulé sur une bobine sur le navire de pose, les solutions préconisées dans les documents cités ci-dessus ne sont pas appropriées car elles utilisent soit des bagues de renfort de grande longueur, de l'ordre de 1 à 2,5 m, comme dans US 3 768 209, soit un enroulement d'une tige de renfort autour du tube rigide comme dans US 4 364 692. Dans le but de résoudre ces problèmes et d'obtenir des conduites à double enveloppe enroulables malgré les limiteurs de propagation, la Demanderesse a déjà proposé des dispositifs particuliers. Selon la demande FR 99 08540, une portion de flexible est soudée sur la paroi interne du tube externe pour constituer un limiteur de propagation flexible. Selon la demande FR 99 15216, le limiteur de propagation est constitué par un compartiment annulaire rempli de résine injectée avant ou pendant la pose et qui peut n'être durcie qu'après la pose si la longueur du compartiment de la résine est trop grande pour permettre l'enroulement à l'état durci. On connaît dans le domaine des conduites à doubles enveloppes des dispositifs de natures diverses disposés entre les tubes coaxiaux intérieur et extérieur, qui ne sont pas destinés à limiter la propagation d'une déformation, mais plutôt à former des compartiments, à servir d'entretoise, ou à réunir plusieurs tronçons de conduite. Par exemple, des systèmes de bouchage d'extrémité ("bulkheads" en anglais) de tube rigide à double paroi existent et sont décrits notamment dans les documents WO 96/36831 et WO 98/17940. De tels bouchons d'extrémité ne sont pas assimilables à des limiteurs de propagation car la matière élastique dans laquelle ils sont réalisés n'est pas apte à transférer les contraintes appliquées au tube externe sur le tube interne. Il ressort de cet état de la technique qu'il est connu, notamment grâce à la Demanderesse, d'avoir des dispositifs limiteurs de propagation sur des conduites à double enveloppe qui restent enroulables, mais au prix d'une certaine complication de structure et donc d'une augmentation des coûts. Le but de l'invention est de proposer un dispositif limiteur de propagation pour conduite enroulable à double enveloppe qui soit très simple à fabriquer et à monter. Le but de l'invention est atteint dans le cadre d'une conduite enroulable à double enveloppe du fait que le dispositif limiteur est constitué par une cloison transversale annulaire épaisse et rigide solidarisée au tube intérieur et au tube extérieur. Une solution est d'autant plus surprenante qu'elle est particulièrement simple mais qu'on n'y avait jamais songé malgré le besoin constant de l'industrie pétrolière, besoin d'autant plus pressant que l'exploitation dans des eaux de plus en plus profondes rend les limiteurs de propagation absolument indispensables. Une cloison transversale annulaire épaisse et rigide est déjà connue en soi depuis très longtemps, par exemple par le document US 3768269 déjà cité, mais il ne s'agissait que d'un anneau extérieur au tube simple et qui donc s'opposait à l'enroulement du tube. L'épaisseur de la cloison selon l'invention est typiquement inférieure à 0,5 fois le diamètre extérieur de la conduite, contrairement aux limiteurs pour conduite à double enveloppe connus jusque-là. L'épaisseur est même de préférence inférieure à 0,2 fois ledit diamètre extérieur. Dans un mode de réalisation, la cloison est reliée au tube extérieur et/ou au tube intérieur par l'intermédiaire d'un manchon de sensiblement même diamètre que ledit tube extérieur et/ou intérieur et solidarisé à celui-ci. Le dispositif a avantageusement une demi-section en H allongé. Pour éviter certaines difficultés de contrôle de soudures in situ, il peut être réalisé en acier en une seule pièce par fonderie par exemple, et être soudé aux extrémités des tubes de la conduite. La solidarisation de la cloison et/ou du manchon aux tubes peut se faire par soudage, collage ou même vissage. Lors de l'enroulement sur la bobine, le tube intérieur sera soumis à une contrainte locale très importante au niveau de la cloison. Ce phénomène qui pourrait éventuellement entraîner la création de fissures dans le tube interne peut être combattu en augmentant graduellement et localement l'épaisseur du tube intérieur dans la zone prévue pour la cloison. La conduite conforme à l'invention peut s'utiliser à des grandes profondeurs, sans autres formes de limiteurs de propagation que ceux-là, et sans autre modification de la conduite (telle qu'un renforcement de l'épaisseur du tube extérieur). D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de l'invention, se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'un tronçon rigide à double enveloppe équipé d'un dispositif limiteur de propagation conforme à l'invention ; - les figures 2, 3, et 4 représentent schématiquement en coupe trois phases de montage du dispositif de l'invention lors de la fabrication de la conduite ; - les figures 5 et 6 représentent en coupe longitudinale deux autres modes de réalisation du limiteur de propagation de l'invention. - la figure 7 représente en deux demi-coupes longitudinales deux variantes du dispositif de la figure 1. Le tube rigide à double enveloppe 1 d'axe longitudinal A, représenté partiellement sur la figure 1, comprend une enveloppe intérieure ("flow pipe" en anglais) ou tube intérieur 2 dont le diamètre et la nature du matériau sont choisis en fonction du fluide circulant dans ledit tube intérieur, notamment en fonction de la température et de la pression dudit fluide, et une enveloppe extérieure ou tube extérieur 3 ("carrier pipe" en anglais) qui est enfilé sur le tube intérieur 2. Le tube extérieur 3 présente généralement un diamètre extérieur D qui est surdimensionné par rapport au tube intérieur 2 pour permettre la mise en place d'un isolant thermique dans l'espace annulaire 5 et représente une épaisseur qui permet de résister à la pression hydrostatique qui s'exerce sur ledit tube extérieur 3. Le tube rigide 1 comprend généralement des entretoises ou écarteurs, non représentés, ("spacers" en anglais) qui sont solidaires de la paroi externe 4 du tube intérieur 2 et qui sont logés dans l'espace annulaire 5 ménagé entre les tubes extérieur 3 et intérieur 2. Le dispositif limiteur de propagation 10 comprend essentiellement une cloison annulaire Il solidarisée aux tubes 2 et 3. L'épaisseur E de la cloison est assez faible par rapport au diamètre D, par exemple de l'ordre de 1/10 à 2/l0 de D. Dans un mode de réalisation, E _ 30 mm et D = 270 mm. La cloison 10 est d'une pièce avec un manchon extérieur court, sensiblement de mêmes épaisseur et diamètre que le tube extérieur 3. La cloison 10 est vissée sur un filetage extérieur 13 d'un manchon intérieur 14 sensiblement de mêmes épaisseur et diamètre que le tube intérieur 2. Cependant, le filetage 13 est prévu au milieu d'une zone 15 du manchon dont l'épaisseur est graduellement augmentée vers l'extérieur et vers le milieu. Les manchons 12 et 14 sont solidarisés par des soudures 16 et 17 aux tubes intérieurs 2 et extérieurs 3. Le montage du limiteur de l'invention est expliqué sur les figures 2 à 4. La conduite à double enveloppe est fabriquée de manière connue par aboutement de tronçon d'une certaine longueur (par exemple 12 m). Quand il faut interposer un limiteur, environ tous les 200 m de conduite, on commence par souder en 16 le manchon intérieur fileté 14 sur le tube intérieur 2 (figure 2) ; on y visse l'ensemble constitué par la cloison 11 et le manchon extérieur 12 et on vient réaliser la soudure 17 du manchon extérieur 12 sur le tube extérieur 3. La cloison peut aussi être soudée au niveau du filetage pour assurer l'étanchéité. On vient ensuite souder un nouveau tronçon de tube intérieur 2 en 16 sur le manchon intérieur du limiteur installé (figure 4) et on peut poursuivre la fabrication classique de plusieurs tronçons de conduite jusqu'à la mise en place du prochain limiteur de propagation. Le limiteur précédemment décrit est réalisé intégralement en acier et peut constituer un pont thermique entre l'environnement externe de la conduite double et le tube intérieur. Au droit de chaque limiteur, ce pont thermique peut créer un point froid qui entraîne la formation de paraffine. Pour éviter ce problème, on peut créer un isolant thermique à base de céramique entre les parties isolées de la conduite doubles. A cet effet, la cloison 11 (figures 5 et 6) peut être réalisée en céramique et les manchons 12 et 14 en acier. La cloison peut être collée sur les tubes avec une colle anaérobie qui assure l'étanchéité. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on a conservé un filetage d'acier 18 coopérant avec le filetage 13 du manchon intérieur 14, alors que dans le mode de réalisation de la figure 6, le limiteur 10 est réalisé de façon monobloc par collage direct de la cloison 11 sur les manchons 12 et 14. La conductivité thermique de la céramique doit être inférieure à 0,5 W/K.mn et de préférence inférieure à 0,2 W/K.m. La figure 7 montre deux variantes d'exécution du mode de réalisation de la figure 1. Sur la partie supérieure de la figure, on a représenté le cas où la cloison 11 est directement soudée aux manchons respectivement extérieur 12 et intérieur 14 (voire aux tubes eux-mêmes) et sur la partie inférieure de la figure, le cas où l'ensemble du dispositif 10 est réalisé d'une pièce en fonderie, incluant les manchons 12, 13 et la cloison 11. REVENDICA TIONS 1. Dispositif limiteur (10) de propagation d'une déformation apparaissant sur un tube extérieur (3) d'une conduite (1) ou tube rigide de transport d'hydrocarbures à double enveloppe constituée de deux tubes coaxiaux respectivement intérieur (2) et extérieur (3) séparés par un espace annulaire (5), cette conduite (1) étant du type enroulable et destinée à des très grandes profondeurs, caractérisé en ce qu'il est constitué par une cloison transversale annulaire épaisse et rigide (11) solidarisée au tube intérieur (2) et au tube extérieur (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ladite cloison (11) est reliée au tube extérieur et/ou au tube intérieur par l'intermédiaire d'un manchon extérieur (12) et/ou intérieur (14) de même diamètre que ledit tube extérieur (3) et/ou intérieur (2) et solidarisé à celui-ci. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur E de la cloison (11) est inférieure à 0.5 fois le diamètre extérieur D du tube extérieur et de préférence inférieur à 0,2 fois ce diamètre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cloison (11) est solidarisée au tube intérieur ou au manchon intérieur dans une zone (15) de celui-ci d'épaisseur graduellement renforcée vers l'extérieur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cloison (11) est solidarisée à l'un au moins des tubes intérieur (2) ou extérieur (3) ou aux manchons intérieur (14) ou extérieur (12) par soudage, collage ou vissage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cloison (11) est réalisée dans une matière mécaniquement résistante et thermiquement peu conductrice, telle qu'une céramique.