Brevet FR2800181A1 — publié le 20010427

La présente invention concerne une méthode rapide pour la détermination d'une structure de conduite flexible, ou d'une liste de famille de structures, répondant à un cahier des charges déterminé, pour des éléments constitutifs de la structure disponibles industriellement et organisés en bases de données. La présente invention s'applique plus particulièrement aux conduites flexibles dites unbonded selon la normalisation API RP 17B (Second Edition, July 1,1998), ou API Spec 17J. Ces normes, citées ici en référence, décrivent explicitement les éléments constitutifs d'une telle structure de conduite flexible. Les éléments constitutifs considérés ici sont tous ceux qui participent directement ou indirectement à la résistance mécanique et à l'isolation thermique de la conduite flexible au cours de sa mise en place et/ou de son utilisation. On peut citer : la carcasse, la voûte, la frette, les armures, les gaines. Des matériaux isolants peuvent aussi être pris en compte. On sait que les combinaisons de tous ces éléments structurels représentent des calculs complexes, notamment à causes des inter dépendances mécaniques de chacun des éléments. Aussi, il est avantageux de disposer d'un outil rapide permettant de passer en revue toutes les combinaisons d'éléments formant une conduite flexible répondant au cahier des charges. On peut ainsi comparer différentes solutions et les classer en fonction d'objectifs variés : structure la plus légère, la moins chère, la plus facile à transporter, la plus rapidement fabriquée, etc... Ainsi, la présente invention concerne une méthode de détermination d'une conduite flexible répondant à un cahier des charges et constituée par au moins un des éléments suivants : carcasse, une gaine étanche, une voûte, une frette, une nappe d'armure, une couche de matériau isolant, méthode dans laquelle on effectue les étapes suivantes : a) on enregistre les données du cahier des charges correspondantes principalement aux conditions d'utilisation, de pose et de fabrication d'une conduite, b) on constitue des bases de données concernant chacun desdits éléments constitutifs de ladite conduite, c) on effectue toutes les combinaisons constituées par au moins un des éléments du groupe : carcasse, voûte, frette, et gaine, définis dans lesdites bases pour constituer des structures partielles au moins conformes à la géométrie de la conduite imposée par ledit cahier des charges, d) on élimine les combinaisons qui ne respectent pas la résistance à la pression externe imposée par ledit cahier des charges, e) on détermine pour chaque combinaison issue de l'étape d) l'épaisseur et l'angle d'armage des armures, f) on classe les combinaisons selon un critère déterminé. Dans la méthode, la géométrie imposée dans l'étape c) peut être le diamètre intérieur de la conduite. A la suite de l'étape c), on peut ne retenir que les combinaisons dont le poids linéique est conforme à ce qui est imposé par le cahier des charges. On peut effectuer l'étape e) en prenant en compte une épaisseur d'isolant calculée. L'étape e) peut être effectuée à partir de tous les types de fils d'armure que l'on a sélectionnés de la base de données correspondante. Les combinaisons peuvent être classées selon l'un au moins des critères suivants : le poids linéique, le coût, le diamètre extérieur, le coefficient de sécurité en pression de service, la pression d'écrasement, la profondeur maximale de pose, le poids pendu en pose. On peut restreindre les bases de données utilisées dans l'étape c) à des types spécifiques d'éléments de façon à limiter le nombre de combinaisons. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - Les figures la et 1b montrent l'architecture des conduites flexibles, objets de la présente invention. - Les figures 2a, 2b, 2c, et 2d montrent des exemples de section droite de fils de renfort, par exemple de voûte ; - La figure 3 illustre un exemple d'organigramme selon la présente méthode. Le principe de la méthode selon l'invention a été traduit par un programme informatique dans lequel les paramètres d'entrées sont à répartir dans deux catégories distinctes. La première catégorie concerne le cahier des charges définissant le problème technique à résoudre : 1) Choix du domaine technique : - flexible dit flowline , c'est à dire une conduite posée sur le sol (fond marin ou terrestre) en fonction ; - flexible dit riser , c'est à dire dont au moins une portion traverse la tranche d'eau en étant soumis à des contraintes dynamiques. 2) Définition du cahier des charge correspondant à une utilisation donnée (par exemple : pression de service, profondeur d'eau,...). La seconde catégorie d'entrées définit les éléments de structure disponibles pour réaliser cet objectif : fils de carcasse, de voûte, de frette, d'armures,.... L'information concernant ces deux catégories d'entrées est transmise au programme dans le premier cas par le biais d'une interface utilisateur à partir de laquelle il introduit les conditions d'utilisation du flexible, et dans le second par la constitution d'un fichier de bases de données contenant les informations techniques sur les divers profils et matériaux des éléments disponibles. Le cahier des charges définissant le problème à traiter peut être subdivisé en divers domaines, certains paramètres d'entrée étant par ailleurs optionnels. D'autre part, il est envisagé que certains paramètres fixes dans la version actuelle du programme, puissent eux aussi faire l'objet d'une optimisation et sont signalés par une étoile (*). a) Paramètres mécaniques - Profondeur du fond de la mer, - Diamètre intérieur de la conduite flexible, - Pression interne en service, - Mode de mise en place de la conduite : vide ou plein (*), - Type d'effluent transporté : normal ( sweet ) ou acide ( sour ), - Longueur de la ligne (flowline), - Epaisseurs des gaines interne et externe (*), - Matériaux constituant les gaines interne et externe (*), - Densité de l'effluent (riser), - Déport horizontal entre le pied et la tête du flexible (riser). b) Paramètres d'isolation thermique : - Température externe au flexible, - Température de l'effluent à la sortie de la tête du puits, - Température de solidification de l'effluent (ou de cristallisation commençante), - Durée maximale d'un arrêt de production - Chaleur massique de l'effluent, - Type de matériau isolant. c) Paramètres de fabrication et pose de la conduite flexible : - Poids linéique maximal à l'air libre (contraintes de manutention en fabrication et/ou en pose), - Poids maximal pendu en cours de pose, - Epaisseur maximale des armures (contrainte de fabrication), - Nombre maximal de fils d'armures (limitation des capacités d'armage), - Imperfection initiale d'ovalisation (tolérance de fabrication). d) Paramètres d'optimisation : - Précision sur l'épaisseur d'armure recherchée, - Précision sur l'angle d'armage recherché. e) Hybridation - Nombre de segments de structure distinctes possibles pour constituer la longueur totale du flexible. f) Sélection parmi les bases de données : Cette option permet de restreindre la constitution des combinaisons d'éléments constitutifs à partir des bases de données, à certaines catégories de structures (par exemple, si on ne souhaite que comparer deux types de solutions techniques). Les bases de données regroupent les informations nécessaires au calcul pour chacun des éléments constituants les différentes couches du flexible. Sur les figures la et lb, on illustre une constitution classique d'une structure de conduite flexible, en perspective et en coupe, afin de bien définir les dits éléments constitutifs d'une conduite flexible. La référence 1 désigne une carcasse constituée ici par un feuillard agrafé. La fonction première de la carcasse est de renforcer la résistance à l'écrasement ( collapse ) de la gaine 2 généralement extrudée immédiatement dessus. La carcasse peut être réalisée de la même manière qu'une voûte, c'est à dire en fil Z, T, ou C (figures 2a, b, c, d), mais elle ne participe pas à la résistance à la pression interne puisque qu'il n'y a pas d'étanchéité interne. La référence 2 désigne une gaine d'étanchéité, par exemple en matériau polymère, en métal ondulé ou cylindrique. La fonction première est d'être étanche vis à vis de l'extérieur et de l'intérieur. La référence 3 concerne la voûte destinée principalement à renforcer la résistance de la gaine interne 2 à la pression interne due à l'effluent. La voûte est généralement fabriquée à partir de fil ayant les sections représentées schématiquement sur les figures 2a, 2b, 2c, 2d, respectivement dénommées dans la profession par : fil en Z, fil en C, fil en T/u, fil en T/T. La référence 4 désigne une frette. Une frette est une couche de fil enroulée au-dessus de la voûte de façon à la renforcer à la pression interne. Une frette n'est généralement pas en fil agrafé, ni auto agrafé. Lorsque l'épaisseur du fil de voûte peut être augmentée, la frette n'est pas obligatoire. Cependant, il peut être avantageux de comparer une solution comportant une voûte et une frette avec une solution comportant seulement une voûte constituée d'un fil de voûte de forte inertie. Les références 5 désignent des couches anti-usure. Ces couches, de faibles épaisseurs, n'entrent pas en ligne de compte dans la détermination de la structure d'une conduite flexible. Ces couches sont le plus souvent réalisées par un enroulement d'une bande de polymère, adhésive ou non. Les références 6 indiquent les deux couches d'armures de résistance à la tension. Les fils ne sont pas, en général agrafés ou autoagrafés. Les angles de pose des enroulement sont opposés de manière bien connue à équilibrer en torsion le comportement de la conduite flexible. La référence 7 indique la gaine externe. La base de données Carcasse peut comporter les informations suivantes : - Type de section de fil - Largeur du feuillard. - Epaisseur du feuillard. - Epaisseur totale du profil. - Nombre de profils. - Pas d'enroulement. - Inertie de flexion. - Diamètre minimal de pose. - Diamètre maximal de pose. - Section transverse. - Densité du matériau. - Module d'Young - Limite élastique du matériau - Contrainte limite en service du matériau - Contrainte limite à l'installation du matériau - Limite ultime du matériau - Conductivité thermique - Capacité calorifique - Coût La base de donnée Voûte comprend les informations suivantes : - Type de section de fil - Epaisseur et largeur du profil - Nombre de fils - Pas d'enroulement - Inertie de flexion - Diamètre minimal de pose - Diamètre maximal de pose - Section transverse - Densité du matériau - Module d'Young - Limite élastique du matériau - Contrainte limite en service du matériau - Contrainte limite à l'installation du matériau - Limite ultime du matériau - Conductivité thermique - Capacité calorifique - Résistance à la corrosion - Coût La base de donnée Frette comprend les mêmes informations techniques que pour les fils de voûte. La base de données Matériau Gaine comprend : - Densité - Module d'Young - Conductivité thermique - Capacité calorifique - Coût La base de données Armures décrit : - Type de fils - Type de matériau - Densité du matériau - Module d'Young - Limite élastique du matériau - Contrainte limite en service du matériau - Contrainte limite à l'installation du matériau - Limite ultime du matériau - Conductivité thermique - Capacité calorifique - Résistance à la corrosion - Coût La base de donnée Matériau Isolant comprend : - Densité du matériau - Module d'Young - Conductivité thermique - Capacité calorifique - Profondeur maximum d'utilisation - Température maximale d'utilisation - Coût La méthode de la présente invention est ci-après décrite à l'aide de l'organigramme illustré sur la figure 3. On note respectivement C, V, F, A, I, les éléments Carcasse, Voûte, Frette, Armure, Isolant. Les gaines G sont prises en compte dans les calculs pour une épaisseur fixe et un matériau donné. Les structures obtenues ne prennent donc pas en compte, en tant que paramètre, le matériau et l'épaisseur d'une gaine. Cependant, il est possible d'adjoindre à la présente méthode un calcul de l'épaisseur optimale de gaine pour une structure et un cahier des charges donnés. L'organigramme de la figure 3 est organisé en trois étapes principales : - l'étape (A) concerne : les paramètres d'entrées pour renseigner un cahier des charges, la consultation de bases de données relatives à l'identité et aux caractéristiques des éléments constitutifs d'une conduite flexible, éventuellement un complément d'informations techniques pour enrichir les bases, et généralement une sélection par l'opérateur de certaines parties des bases, par exemple pour restreindre la constitution de combinaisons. - l'étape (B) concerne la constitution d'une collection de combinaisons d'éléments C, V, F, A et éventuellement I, compte tenu des calculs mécaniques et thermiques pour vérifier l'adéquation de certaines combinaisons au cahier des charges. - L'étape (C) concerne l'exploitation de l'affichage des combinaisons répondant au cahier des charge. L'affichage pouvant être organisé selon des critères choisis. L'étape (A) débute par l'inscription du type de conduite flexible : riser (R) ou flowline (FL). Une conduite flowline est une conduite posée sur le sol, en général le fond de la mer et reliant deux têtes de puits ou manifold. Cette conduite une fois posée a un comportement statique et n'est plus soumis qu'à des efforts de pression. Une conduite riser traverse la tranche d'eau pour relier le fond de la mer à un support aérien. Le riser est donc pendu et peut être soumis à des déplacements. Les calculs sont avantageusement simplifiés si la sélection du type de conditions opératoires (R ou FL) est effectuée au démarrage. Le bloc 16 schématise une page d'accueil de l'interface utilisateur sur laquelle celui-ci inscrit les informations afférentes au cahier des charges : profondeur d'eau, diamètre intérieur, pression de service, longueur de la ligne, poids linéique maximum, rayon de courbure, données thermiques, agressivité du milieu ambiant, etc... Le bloc 17 représente l'ensemble des bases de données C, V, F, A, G, I, etc..., telles que définies plus haut. Les bases peuvent être organisées en sous ensembles ou catégories de structure, de façon à permettre une restriction du nombre de combinaisons. Le principe général de la méthode est de réaliser des combinaisons d'éléments C, V, F, A, G, I qui répondent à certains critères. A la fin de l'étape (A), le calculateur a constitué un ensemble de combinaisons C, V, F (un certain nombre sans frette) (bloc 18). On ne cite pas ici, ni dans la suite de la description, la gaine G interne, mais elle est toujours prise en compte et systématiquement positionnée entre la carcasse et la voûte. On peut également placer une ou plusieurs gaines supplémentaires ( externes ) situées juste en dessous des armures (c'est à dire au dessus de la voûte ou de la frette éventuelle), ou au-dessus des armures, ou encore au-dessus de l'isolant. On écarte de ces combinaisons celles qui ne répondent pas à des premiers critères : poids dans l'air, poids dans l'eau (W). Les combinaisons ont été constituées à partir de carcasses pouvant être fabriquées au diamètre intérieur imposé. Autrement dit, sur toutes les carcasses de la base de données C conformes, on constitue des combinaisons en posant sur la gaine étanche (métallique, en polymère, ou autre matériau) qui recouvre la carcasse, des voûtes de la base de données V, puis des frettes de la base de données F. Il est clair que les diamètres des voûtes et frettes doivent être compatibles avec celui des carcasses envisagées. On note que la vérification primaire (bloc 19) supprime toutes des combinaisons C, V, F qui ont un poids linéaire dans l'air et/ou dans l'eau supérieur à ce qui est inscrit dans le cahier des charges. Les combinaisons qui subsistent (bloc 9) sont vérifiées au calcul de leur résistance à l'écrasement (collapse) (bloc 10). Dans le présent exemple, ces calculs sont conventionnels, par exemple la méthode de calcul publiée par SINTEF (N-7034 Trondheim, Norvège) : Handbook on Design and Opération of Flexible Pipes 1992- ISBN no : 82-595-7266-4. Comme cela est connu, c'est l'ensemble carcasse, voûte, éventuellement avec une frette, qui est pris en compte pour la résistance à l'écrasement. Le calcul classique de résistance au collapse se fait en tenant compte d'une gaine interne. Mais le calcul peut aussi être effectué en tenant compte d'une seconde gaine externe placé au dessus de la voûte ou de la frette éventuelle. Après avoir écarté les combinaisons qui ne résistent pas aux conditions d'écrasement nécessaires, on sélectionne un matériau d'armure, une épaisseur d'armure (par exemple 1 mm) et un angle d'armage pour chacune des combinaisons restantes (bloc 11). L'angle d'armage (angle des armures par rapport à l'axe de la conduite), peut être choisi en fonction des conditions d'utilisation. En effet, il est connu que l'efficacité des armures à la reprise des efforts axiaux est d'autant plus grande que l'angle est faible, tandis que leur participation à la reprise de la pression interne diminue. Ainsi, on pourra choisir d'armer la conduite flexible avec un angle plus important si l'on souhaite décharger la voûte en pression interne. Une structure de la conduite flexible est à ce moment du programme entièrement définie, on peut donc vérifier (bloc 12) si celle ci respecte l'ensemble du cahier des charges avec l'épaisseur et l'angle considérés. Si ce n'est pas le cas, on boucle le processus de calcul en faisant varier l'angle d'armage (par exemple entre 25 et 55 degrés, puis l'épaisseur d'armure. En revanche, dès que l'on trouve une solution, on peut décider d'arrêter la recherche pour la combinaison CVFAI trouvée. Le programme de calcul répète ces calculs à partir de chaque combinaison, et pour tous les matériaux d'armures de la base A, par exemple, acier, aluminium, armure composite en fibre de verre ou de carbone,... Dans le cas où des conditions d'isolation thermique ont été notifiées dans le cahier des charge, le programme détermine une épaisseur d'isolant dans un des matériaux choisi, tout en vérifiant que l'ensemble de la structure comprenant l'isolant répond au cahier des charges. On peut également utiliser d'autres algorithmes pour optimiser la structure (généralement minimalisation de l'épaisseur), par exemple un algorithme de Newton (de gradient). La recherche des combinaisons répondant au cahier des charges est terminée, les structures de conduite flexible, solutions au problème posé sont enregistrées dans le bloc 13. L'utilisateur peut alors visualiser l'ensemble des structures et leurs détails. Pour faciliter l'analyse ou le choix d'une structure de conduite, l'utilisateur peut imposer un ou plusieurs critères de classement, schématisé par le bloc 14 qui permet le classement selon, par exemple : le poids de la conduite, la plus grande résistance à l'écrasement, le coût de fabrication le moins cher (si les informations de prix sont incluses dans les bases de données), le diamètre extérieur,...La fiche technique complète 15 de la meilleure structure de flexible selon le critère choisi est directement accessible. Bien entendu, si à la suite de chaque étape, il n'y a pas de combinaison possible, il faut que l'utilisateur boucle sur le cahier des charge 16 pour modifier certains paramètres (schématisation par les lignes de rétro-action tiretées). On illustre la démarche de manière symbolique sur l'exemple suivant, fondé, pour simplifier le nombre de combinaisons possibles sur une base de données restreinte contenant une carcasse (C), deux voûtes (VI, V2), deux frettes (FI et F2), deux types de matériau d'armure (Al et A2) et un matériau isolant (I). Etapes Combinaisons de structures Ensemble des combinaisons possibles CV1-CV2-CV1F1-CV1F2-CV2F1-CV2F2 Combinaisons restantes après CV1-CV2-CV1F1-CV1F2-CV2F1 vérifications primaires (19) Combinaisons après vérification à CV1-CV1F1-CV1F2-CV2F1 l'écrasement (10) Créations des combinaisons avec type CV1A1I-CV1F1A1I-CV1F2A1I-CV2F1A1I de matériaux d'armures et d'isolant CV1A2I-CV1F1A2I-CV1F2A2I-CV2F1A2I (11) Combinaisons optimisées : angle CVlAl(eal,aal)I(eil)d'armage, épaisseur d'armures et CVlFlAl(ea2aa2)I(ei2)d'isolant CVlF2Al(ea3oa3)I(ei3) CV1A2(ea4,[alpha]a4)I(ei4)CVlFlA2(ea5,aa5)I(ei5)CVlF2A2(ea6,aa6)I(ei6) (*) ~ ~ ~ ~~ ~ Combinaisons restantes après CVlAl(eal,aal)I(eil)vérification du cahier des charges (12) CV1A2(ea4,aa4)I(ei4)CVlFlA2(ea5,aa5)I(ei5)CV1F2A2(ea6,aa6)I(ei6) (*) les combinaisons avec la voûte V2 aboutissent à des épaisseurs d'armure ou d'isolant et/ou des angles d'armage incompatibles avec le cahier des charges. - eal, ea2,...désignent les épaisseurs d'armure, - eil, ei2,...désignent les épaisseurs d'isolant, - aal, aa2,...désignent les angles d'armage des armures. Dans cet exemple purement symbolique, on notera que l'on obtient finalement quatre structures vérifiant le cahier des charges, chacune étant optimisée du point de vue de l'épaisseur d'armures (la plus petite) et de celle de l'isolant (la plus petite pour l'épaisseur d'armure fixée) pour un ensemble C/V/F/A/I donné. La dernière étape de tri permet donc d'identifier les meilleures structures globalement optimales par rapport au critère choisi. On note que deux structures avec frette sont des structures à priori plus complexes et n'offrent pas d'avantage technique comparativement aux structures sans frette. Mais elles conviennent au cahier des charges, donc pourraient être préférées si leurs caractéristiques mécaniques ou de prix spécifiques sont intéressantes vis à vis de conditions d'exploitation données. On a mis en évidence un des avantages de la présente invention, qui est de donner toutes les solutions possibles à un problème de structure. L'utilisateur est ainsi certain de choisir la meilleure solution pour sa propre hiérarchisation de critères. REVENDICATIONS 1) Méthode de détermination d'une conduite flexible répondant à un cahier des charges et constituée par au moins un des éléments suivants : carcasse (1), une gaine étanche (2), voûte (3), frette (4), une nappe d'armure (6), une couche de matériau isolant, méthode dans laquelle on effectue les étapes suivantes : a) on enregistre les données du cahier des charges (16) correspondantes principalement aux conditions d'utilisation, de pose et de fabrication d'une conduite, b) on constitue des bases de données (17) concernant chacun desdits éléments constitutifs de ladite conduite, c) on effectue toutes les combinaisons (18) constituées par au moins un des éléments du groupe : carcasse, voûte, frette, et gaine, définis dans lesdites bases pour constituer des structures partielles au moins conformes à la géométrie (19) de la conduite imposée par ledit cahier des charges, d) on élimine les combinaisons (9) qui ne respectent pas la résistance à la pression externe (10) imposée par ledit cahier des charges, e) on détermine (12) pour chaque combinaison issue de l'étape d) l'épaisseur et l'angle d'armage des armures, f) on classe (15) les combinaisons selon un critère déterminé. 2) Méthode selon la revendication 1 dans laquelle la géométrie imposée dans l'étape c) est le diamètre intérieur de la conduite. 3) Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle à la suite de l'étape c), on ne retient que les combinaisons dont le poids linéique est conforme à ce qui est imposé par le cahier des charges. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle on effectue l'étape e) en prenant en compte une épaisseur d'isolant calculée. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'étape e) est effectuée à partir de tous les types de fils d'armure que l'on a sélectionnés de la base de données correspondante. 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les combinaisons sont classées selon l'un au moins des critères suivants : le poids linéique, le coût, le diamètre extérieur, le coefficient de sécurité en pression de service, la pression d'écrasement, la profondeur maximale de pose, le poids pendu en pose. 7) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on restreint les bases de données utilisées dans l'étape c) à des types spécifiques d'éléments de façon à limiter le nombre de combinaisons.