Brevet FR2812370A1 — publié le 20020201

Le domaine technique de la présente invention est celui des pipelines pour le transport des hydrocarbures en mer. L'épuisement des réserves d'hydrocarbures offshore dans les domaines d'exploitation classique a provoqué l'émergence d'installations en grandes profondeurs (de l'ordre du kilomètre). Le terme installation désigne globalement les têtes de puits sous-marins, les plates-formes, etc.... On sait que dans ce cas le transport est très souvent assuré par des tubes en acier qui interviennent à toutes les étapes de l'extraction, et en particulier par des pipelines horizontaux disposés au fond de la mer pour relier les différents éléments d'une même installation. Ces pipelines sont nommés en vocable anglais " flowlines ". Ils sont réalisés à partir de tubes intermédiaires en acier d'une longueur de douze mètres environ et assemblés par la suite pour former des tronçons de plusieurs kilomètres de long qui viennent reposer au fond de la mer. On connaît plusieurs méthodes de pose de ces pipelines au fond de la mer. Une méthode consiste à transporter les tubes sur une barge et à les assembler en mer soit de manière quasi horizontale (pose dite en S) ou quasi verticalement (pose dite en J). Une autre méthode consiste à réaliser à terre le pipeline en grande longueur puis à l'enrouler sur une roue et à le dérouler en mer à l'endroit voulu sur le fond de la mer. Une autre méthode, dite par tirage, est fondée sur le remorquage en mer jusqu'au site offshore du pipeline après assemblage à terre des tubes élémentaires sur une grande longueur (plusieurs kilomètres). Il faut alors que la masse du pipeline dans l'eau soit faible, par exemple inférieure à kg par mètre linéaire, ou qu'il soit flottant si le pipeline est tiré entre deux eaux. Pour obtenir les conditions de flottaison satisfaisantes, on a recours à des moyens annexes car les tubes en acier sont trop lourds. On place alors autour du pipeline (ou d'un faisceau de pipelines) un autre tube acier, dénommé tube transporteur, de diamètre suffisamment grand pour contenir le tout et donner une flottaison suffisante par effet d'Archimède. Si5 on envisage une profondeur importante (1 000 mètres par exemple), il faut augmenter l'épaisseur de la paroi du tube transporteur pour lui permettre de résister à la pression de l'eau. Il devient alors trop lourd pour assurer sa fonction de flotteur. Pour y remédier, on a proposé de pressuriser le10 tube transporteur avec de l'azote pour équilibrer la pression interne avec la pression hydrostatique. Malheureusement, on ne dépasse pas des profondeurs de 1 000 mètres avec ce système pour des raisons pratiques de sécurité et de masse volumique de l'azote pressurisé.15 Pour remplacer ce tube transporteur, on a proposé d'utiliser des pains de mousse syntactique ou des réservoirs cylindriques réalisés le plus souvent en matériau composite afin d'allier une masse faible et une bonne résistance au flambage. Ces deux solutions sont très onéreuses.20 Le but de la présente invention est de fournir un dispositif de flottaison simple et économique, adapté au tirage d'un pipeline en grande profondeur, et combinant une masse fortement allégée pour assurer la flottaison et une très bonne résistance au flambage.25 L'invention a donc pour objet un dispositif de 4 flottaison pour pipeline immergé en grande profondeur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une enceinte fermée présentant un ensemble de cannelures espacées les unes des autres et réparties au moins sur une partie de sa30 surface, ladite enceinte étant séparée du pipeline et reliée à celui-ci par au moins un moyen de liaison. Selon une caractéristique de l'invention, l'enceinte fermée est du type cylindrique creuse. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend un moyen de renforcement au flambage hydrostatique à l'intérieur de l'enceinte. Selon encore une autre caractéristique, le moyen de renforcement est constitué d'au moins une rondelle de maintien pleine ou ajourée d'une largeur sensiblement comprise entre dix et cinquante millimètres, la dite rondelle étant sensiblement en contact avec le fond des cannelures. Avantageusement, la surface périphérique des rondelles de maintien est en contact intime avec le fond des cannelures.10 Avantageusement encore, les cannelures sont pratiquées de manière à solidariser l'enceinte et les rondelles de maintien. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif de flottaison comporte autant de rondelles de maintien que de cannelures. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les cannelures sont espacées les unes des autres d'une valeur comprise entre environ 0,2 et 1 fois le diamètre de l'enceinte.20 Selon une autre caractéristique, les rondelles de maintien sont reliées à un axe disposé de manière sensiblement transversale. Avantageusement, la rondelle de maintien est constituée d'un matériau léger et résistant du type polyéthylène, PVC, bois ou matériau composite. Avantageusement encore, le moyen de renforcement est constitué par un fluide. Le fluide est un gaz sous pression' par exemple -de l'azote. Avantageusement, le moyen de renforcement est constitué par des rondelles de maintien et du gaz sous pression. Selon une caractéristique de l'invention, l'enceinte est constituée d'un matériau ductile à haute limite élastique tel que l'acier grade API5L X65. Selon une autre caractéristique, le moyen de liaison est constitué par au moins une attache de fixation et au moins une sangle. Selon encore une autre caractéristique, l'enceinte est équipée au niveau de sa partie inférieure d'un conduit de communication entre l'extérieur et l'intérieur, l'extrémité extérieure du conduit étant fermée par une vanne. Un tout premier avantage du dispositif de flottaison selon l'invention réside dans le fait que l'enceinte peut être réalisée à l'aide de matériaux courants et bon marché, de l'acier par exemple, en permettant de l'utiliser à des profondeurs d'eau importantes sans augmenter son épaisseur. Un autre avantage réside dans le fait que le dispositif de flottaison est facilement récupérable et réutilisable, ce qui permet d'amortir le coût des dispositifs de flottaison sur plusieurs installations.15 Un autre avantage réside dans la possibilité du remplissage de l'enceinte par le milieu environnant, ce qui permet d'alourdir progressivement le dispositif de flottaison pendant sa phase de remontée vers la surface en vue de le récupérer. Cette opération de récupération devient20 moins dangereuse puisque le dispositif de flottaison remonte moins vite. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la mise en équipression entre l'enceinte et le milieu extérieur élimine les risques d'explosion de l'enceinte lors de saremontée ce qui améliore la sécurité. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre illustratif en relation avec des dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue du dispositif de flottaison annelé selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif selon un second mode de réalisation. Comme indiqué précédemment, l'invention propose un nouveau type de flotteur peu onéreux à réaliser et offrant une haute résistance accompagnée d'une souplesse d'utilisation dans la pose de pipeline au fond de la mer à grande profondeur. Il s'agit typiquement de véhiculer du pétrole brut d'un point à un autre. Sur la figure 1, le pipeline 1 se présente sous la forme d'une conduite simple5 ou double enveloppe en acier dans lequel un effluent est amené à circuler. Le pipeline 1 est relié à une enceinte indépendante 2 à laquelle il est fixé par un moyen de liaison 3. Sur la figure, on voit que l'enceinte 2 est reliée de manière non limitative par deux moyens de liaison.10 Chaque moyen est constitué par une attache 4 de fixation se présentant sous la forme d'un orin reliant l'enceinte 2 au pipeline 1 et d'une sangle 5 disposée autour du pipeline. On comprend que plusieurs enceintes 2 peuvent être reliées au pipeline suivant la flottabilité que l'on veut assurer.15 Cette réalisation permet de rendre temporaire la fixation des enceintes qui peuvent être récupérées pour être réutilisées. Typiquement, l'enceinte 2 comporte une paroi 6 et des fonds 7 et 8 minces fabriqués dans un matériau ductile et à relativement haute limite élastique tel que de l'acier grade API5L X65 par exemple. Cette caractéristique est importante car elle est nécessaire pour conserver les propriétés structurelles du matériau après déformation et sa résistance mécanique propre.25 Dans ce premier mode de réalisation, cette paroi 6 est déformée périodiquement de manière annulaire en y appliquant une pression pour réaliser des cannelures 9. Ces dernières peuvent être réalisées de manière variée indifféremment de l'extérieur ou de l'intérieur de l'enceinte. On obtient30 ainsi une succession de bombages 10 séparés par les cannelures 9, ces dernières étant délimitées à l'intérieur de l'enceinte 2 par un fond de cannelures 15. Ces cannelures 9 jouent le rôle de raidisseurs et permettent d'améliorer la résistance au flambage du flotteur. On peut donc utiliser des enceintes d'épaisseur plus faible, donc de masse allégée, tout en conservant une résistance suffisante par rapport aux sollicitations mécaniques. L'invention apporte donc un progrès technique certain, à l'encontre des connaissances classiques de l'homme du métier de ce domaine technique. Suivant le second mode de réalisation représenté sur la figure 2, le dispositif de flottaison comprend une enceinte 2 délimitée par la paroi cylindrique 6 et les fonds 7 et 8. Dans cette réalisation, on incorpore à l'intérieur de l'enceinte un moyen de renforcement 11. Ce dernier est constitué, par exemple, par des rondelles de maintien 12 soutenues dans l'enceinte 2 grâce à un axe 13. Ces rondelles 12 peuvent être pleines ou ajourées par des trous transversaux 14. Elles sont fabriquées dans un matériau léger, avec des caractéristiques mécaniques suffisamment élevées en terme de module de Young, de résistance à la compression et de ductilité comme par exemple le bois, le polyéthylène, un matériau composite ou un PVC. Ces rondelles sont d'une largeur comprise entre 10 et 50 millimètres et elles sont disposées au droit des cannelures, elles-mêmes espacées d'une distance de l'ordre 0,2 à 1 fois le diamètre de l'enceinte 2. Le diamètre extérieur d'une rondelle de maintien 12 est calculé pour rentrer dans l'enceinte 2 avant création des cannelures 9, puis pour coopérer avec le fond des cannelures 15. L'axe 13 est disposé transversalement, centré ou non, par rapport à l'enceinte 2 et sert à maintenir les rondelles de maintien 12, sensiblement perpendiculairement, comme représenté par rapport à l'axe XX de l'enceinte 2. Sur la figure, on voit qu'une bague 16 permet de fixer la position30 de chaque rondelle par rapport à l'axe 13. La mise en place du moyen de renforcement 11 est le suivant. Les rondelles de maintien 12 montées sur l'axe 13 sont insérées dans l'enceinte 2 avant création des cannelures 9. Les fonds 7 et 8 sont ensuite mis en place et reliés, par soudage par exemple, à la paroi 6 pour former l'enceinte étanche 2. Par le biais de la machine décrite dans le brevet FR-A-2 786 713 équipée de patins appropriés, on vient déformer la paroi 6 au droit des rondelles de maintien 12 pour mettre en contact les cannelures 9 ainsi formées avec la surface périphérique 20 de la rondelle 12. Les anneaux ainsi formés (avec les rondelles) sont extrêmement résistants à la pression hydrostatique et ne peuvent quasiment pas flamber. La résistance au flambage du dispositif de flottaison est croissante avec le nombre de cannelures et de rondelles. Bien entendu, dans les deux modes de réalisation précédent, les cannelures peuvent présenter des formes variées. Dans les exemples décrits ci-dessus, on a schématisé des cannelures 9 réalisées sensiblement de manière concentrique avec un profil régulier par rapport à l'axe XX de l'enceinte 2. Il va sans dire que ces cannelures pourraient être réalisées de manière inclinée par rapport à l'axe XX ou bien de manière excentrique. En variante, on peut encore espacer les cannelures 9 et/ou les bombages 10 de manière régulière ou irrégulière, avec des profondeurs différentes en utilisant, dans le second mode de réalisation, des rondelles de diamètres différents. De même encore, on a décrit des cannelures 9 selon une courbe fermée. Il va sans dire que ces cannelures pourraient être réalisées suivant une courbe ouverte, par exemple une spirale. Dans les modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2, Les propriétés mécaniques de l'enceinte 2 peuvent être avantageusement améliorées par pressurisation de l'enceinte avec par exemple de l'azote. Cette mise en pression constitue un moyen de renforcement 11 équivalent au rondelles de maintien 12. Pour une pression de 60.105 Pascals, on recule la limite de flambage d'environ 60.10535 Pascals. Cette amélioration permet de diminuer encore l'épaisseur de la paroi 6 et des fonds 7 et 8 de l'enceinte afin d'augmenter la flottabilité du dispositif. Il faut évidemment tenir compte de la masse de l'azote pressurisé, mais le bilan de masse est toujours avantageux lorsqu'on considère la réduction de masse de l'enceinte 2. Cette5 opération peut être réalisée industriellement par simple injection du gaz utilisé sans qu'il soit nécessaire de donner plus de détails. Sur la figure 2, on a encore représenté un moyen permettant de remplir l'enceinte pressurisée 2 à l'aide du milieu environnant. Il comprend un conduit 18 faisant communiquer l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte et débouchant à un niveau prédéterminé dans l'enceinte 2. L'extrémité extérieure du conduit 18 est obturée par une vanne 19 commandable à distance. L'ouverture de cette vanne15 19, une fois l'installation du pipeline 1 terminée, permet la commande d'un remplissage partiel de l'enceinte avec l'eau de mer environnante lorsque sa pression est supérieure à celle régnant dans l'enceinte. Ainsi, pour récupérer le dispositif de flottaison, on déconnecte le moyen de liaison 3 du pipeline 1 et on commande l'ouverture de la vanne 19. Le dispositif commence sa remontée. L'ouverture de la vanne 19 permet un remplissage partiel de l'enceinte avec l'eau de mer tant que la pression de celle-ci est supérieure à la pression régnant dans l'enceinte 2. Au cours de la remontée du dispositif de flottaison, la pression interne de l'enceinte va devenir supérieure à celle du milieu environnant provoquant une évacuation du gaz. Ainsi le dispositif de flottaison reste alourdi ce qui assure une remontée relativement lente. On écarte donc les dangers de collision et d'explosion violentes. A titre illustratif, une enceinte réalisée à partir d'un tube lisse de 324 millimètres de diamètre et de 6,35 millimètres d'épaisseur le flambage intervient à environ 200 mètres de profondeur. La même enceinte réalisée suivant la figure 1 recule le flambage à une profondeur de l'ordre de 500 mètres. La même enceinte réalisée suivant la figure 2 recule le flambage à une profondeur d'environ 1500 mètres. La même enceinte réalisée suivant la figure 2 et pressurisée à 60.105 Pascals recule le flambage à une profondeur d'environ 2100 mètres. On voit donc que l'invention permet de reculer les limites de flambage dans des proportions tout à fait inattendues. REVENDICATIONS 1. Dispositif de flottaison pour pipeline (1) immergé en grande profondeur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une enceinte (2) fermée présentant un ensemble de cannelures5 (9) espacées les unes des autres et réparties au moins sur une partie de sa surface, ladite enceinte (2) étant séparée du pipeline (1) et reliée à celui-ci par au moins un moyen de liaison (3). 2. Dispositif de flottaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (2) fermée est du type cylindrique creuse. 3. Dispositif de flottaison selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de renforcement (11) au flambage hydrostatique à l'intérieur de l'enceinte (2). 4. Dispositif de flottaison selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de renforcement (11) est constitué d'au moins une rondelle de maintien (12) pleine ou ajourée d'une largeur sensiblement comprise entre dix et20 cinquante millimètres, la dite rondelle étant sensiblement en contact avec le fond des cannelures (15). 5. Dispositif de flottaison selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface périphérique (20) des rondelles de maintien (12) est en contact intime avec le fond -des cannelures (15). 6. Dispositif de flottaison selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cannelures (9) sont pratiquées de manière à solidariser l'enceinte (2) et les rondelles de maintien (12). 7. Dispositif de flottaison selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte autant de rondelles de maintien (12) que de cannelures (9). 8. Dispositif de flottaison selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cannelures (9) sont espacées les unes des autres d'une valeur comprise entre 0,2 et 1 fois le 1l diamètre de l'enceinte (2). 9. Dispositif de flottaison selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les rondelles de maintien (12) sont reliées à un axe (13) disposé de manière5 sensiblement transversale. 10. Dispositif de flottaison selon la revendication 9, caractérisé en ce que la rondelle de maintien (12) est constituée d'un matériau léger et résistant du type polyéthylène, PVC, bois ou matériau composite.10 11. Dispositif de flottaison selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de renforcement (11) est constitué par un fluide (17). 12. Dispositif de flottaison selon la revendication 11, caractérisé en ce que le fluide (17) est un gaz sous pression par exemple de l'azote. 13. Dispositif de flottaison selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de renforcement (11) est constitué par des rondelles de maintien (12) et du gaz sous pression (17).20 14. Dispositif de flottaison selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (2) est constituée d'un matériau ductile à haute limite élastique tel que l'acier grade API5L X65. 15. Dispositif de flottaison selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de liaison (3) est constitué par au moins une attache de fixation (4) et au moins une sangle (5). 16. Dispositif de flottaison selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (2) est équipée au niveau de sa partie inférieure d'un conduit (18) de communication entre l'extérieur et l'intérieur, l'extrémité extérieure du conduit étant fermée par une vanne (19).