Brevet FR2822099A1 — publié le 20020920

sérces entre les vis papillon (16) et les entretoises (15). La présente invention concerne un dispositif et une méthode permettant d'assurer l'intégrité dimensionnelle d'une pièce en matériau composite pendant la phase de polymérisation et/ou de réticulation, et/ou de la mise _uvre des matrices organiques constituant avec les fibres de renfort la partie rigide du composite. Par pièce, dans le sens de l'invention, on doit comprendre un tube, une canalisation, un réservoir ou tout autre élément qui permet de stocker ou de véhiculer des liquides pouvant contenir des solides en suspension, des gaz, des boues ou un mélange de tous ces éléments. La pièce peut étre constituée de différentes couches superposées de natures différentes. Dans le cas d'une résine organique thermodurcissable comme matrice du composite, la présente invention propose une amélioration de la mise en _uvre des résines, dites au stade B. constituant la matrice organique du composite, sans déformation ni essorage des éléments de renforts imprégnés, ou pré-imprégnés, durant l'étape de polymérisation totale par chauffage dans un four, ou tout autre dispositif de réticulation équivalent. On peut citer par exemple source d'W, d'IR, ou de micro ondes. On entend par stade B. l'état d'avancement physique ou chimique d'une résine thermodurcissable n'ayant pas encore atteint le point de gel, ni sa phase de polymérisation. Le stade B défni le temps idéal d'utilisation de la résine permettant toutes les phases de préparation d'un composite et ceci avant d'atteindre une trop forte viscosité dynamique et un taux d'avancement de la réaction (réticulation) trop élevé. La présente invention propose également pour une matrice organique thermoplastique l'amélioration de la mise en _uvre durant l'élaboration d'un composite dans le cas ou la matrice se trouve dans un état de viscosité tel qu'un phénomène d'écoulement est possible. Un procédé d'enroulement filamentaire en continu nécessite généralement un mandrin sur lequel sont enroulés les éléments de renfort imprégnés d'une matrice. Les filaments (verre, carbone, aramide,....) sont imprégnés de résines thermodurcissables ou de polymères thermoplastiques par voie sèche ou par voie humide, puis enroulés sur le mandrin avant l'étape ultérieure de polymérisation de la résine, ou de fusion locale du thermoplastique. Comme mandrin, on peut utiliser un tube métallique ou en polymère extrudé en continu en amont de la chaîne de fabrication et conservé dans l'âme du produit composite. On peut aussi utiliser un mandrin sous la forme d'un ruban sans fin enroulé en spirale sur un support tournant mais immobile en translation, qui supporte et entraîne les fibres enrobées jusqu'à la fin de leur polymérisation et retourne au point de départ. Dans le cas o le tube fabriqué en continu par enroulement filamentaire, par exemple d'un diamètre égal ou supérieur à 10 pouces (25,4 mm), est destiné à stocher, ou à véhiculer, pendant un temps de l'ordre d'une vingtaine d'années sans subir de détérioration, des fluides tels que du pétrole et ses composants, des gaz, de l'eau, de l'eau fortement chargée en sels solubles ou insolubles, des fluides de complétion ou encore des boues à des températures (tous ces fluides pouvant contenir du gaz) comprises entre 4 et 200 C, on utilisera plus particulièrement le procédé de " pull winding " o le mandrin (liner ou chemisage), fixe en rotation, mais se déplaçant longitudinalement est constitué d'un polymère thermoplastique, d'un polymère thermodurcissable ou d'un métal et dans une application plus particulière d'au moins un polymère choisi dans le groupe des polymères thermoplastiques (tel que par exemple les PE, les PP, les PA, le PVDF, le PEEK), et un système constitué de fibres et de ré sines d'imprégnation capables de ne pas subir de dégradation dans le s conditions de l'utilisation. En effet ce procédé nécessite de préimprégner les fibres de renfort par une opération spécifique effectuée par les procédés d'imprégnation classique puis d'enrouler l'ensemble sur des bobines qui seront installées ensuite sur un ou plusieurs carrousels afin d'effectuer l'opération d'enroulement filamentaire. Les conditions d'utilisation de la structure composite multicouche finale dans le cas plus particulier d'un tube " riser " en composite d'une plateforme de production du type TLP (tension leg plattorm) peuvent êtres résumées de la manière suivante: Durée de vie: environ 20 ans Température du fluide: comprise entre 4 et 100 C Température du composite: comprise entre 4 et 90 C Ré si stance chimique élevée de la matrice organi qu e con stituant le composite: - à l'hydrolyse au gonflement par de l'eau au gonflement par le pétrole et ses constituants au gonflement par les gaz de gisement aux produits de rétection des conduites Résistance chimique élevée du liner, chemisage constituant le mandrin lors de l'élaboration: au pétrole (et aux gaz) à l'eau (acide et basique) - à l'eau chargée en sels solubles et insolubles. - boues et fluides de complétion Les différentes contraintes de fonctionnement de la structure composite multi couche finale impo sent au concepteur d'utili ser de s matrice s organi que s très stables. Dans une forme plus particulière de l'invention, les résines peuvent être de la famille des époxydes dont certaines sont décrites dans le document FR2753978. Leur comportement a fait l'objet d'une étude poussée dans le temps et en milieu pétrolier. Ces résines qui présentent d'excellentes caractéristiques ont la particularité d'être peu réactives à température modérée. Le temps de processabilité ou de latence au stade B est un point important dans la conception du procédé. En effet, la fabrication en continu nécessite une qualité de fibres pré-imprégnées constante dans le temps. Le fait d'utiliser des bobines pré-imprégnées dont la teneur en résine aura été contrôlée sera préférée. Ce type de résine pourra donc être utilisée puisque capable de rester sans évolution notable de viscosité pendant une période égale ou supérieure à 1 j our, habituellement environ 1 0 j ours à environ 2 mois et ceci pour une température moyenne de stockage égale ou inférieure à 25 C, habituellement d'environ 0 C à environ 15 C et le plus souvent d'environ 0 C à environ 5 C. Un autre aspect important concerne l'évolution de la viscosité de la résine durant la phase de polymérisation du composite multicouche obtenu par enroulement filamentaire. Cette évolution peut être décrite comme suit. Au fur et à mesure de ia progression du tube dans le four, on observe une diminution de la viscosité de la résine durant sa mise en température. Cette fluidification se traduit obligatoirement par un égouttage et un essorage par gravité puisque le mandrin du tube n'effectue aucune rotation. De ce fait, la distribution de la matière organique dans les fibres risque de ne pas être homogène. Cette résine va graduellement atteindre un état pâteux et ceci sur une certaine longueur de four. La structure peut être déformée et ovalisée. Le produit étant partiellement polymérisé donc mou, il n'est pas possible de le tirer ou de le pousser par des moyens du type chenilles (patins, galets, rouleaux ou étireuse) sans nuire à l'intégrité de sa structure. Pour éviter ce genre de problèmes, on peut aj outer à la résine des contrôleurs d'écoulement qui vont modifier la rhéologie du système. On peut aussi augmenter la longueur du four afin d'atteindre la température de cuisson très lentement pour éviter l'essorage des fibres et/ou enrubanner la structure avec une feuille de plastique non adhérente. Cependant ces dispositions ne sont pas satisfaisantes techniquement et de plus, peu économiques. L'objet de la présente invention est de protéger l'ensemble de la structure évoluant au stade B par une coque protectrice (ou " moule continu "), plus ou moins rigide, fabriquée ou mise en place en amont du four. Cette coque protectrice a pour but d'éviter le phénomène d'essorage ettou d'égouttage et de permettre de manipuler et/ou de véhiculer l'ensemble du tube sans dommage particulier pour la structure finale. Cette coque doit atteindre rapidement un état suffisamment rigide pour satisfaire les conditions de résistance, notamment à l'écrasement, et aura de prétérence une température de transition vitreuse supérieure à la température de polymérisation du système composite qu'il recouvre. On entend par température de transition vitreuse, la température qui défini le passage de l'état vitreux dur et cassant du polymère à un état caoutchoutique. Selon l'invention, la répartition de la résine dans les fibres reste homogène, la longueur du four peut être diminuée et l'intégrité dimensionnelle de la structure finale respectée grâce à la coque. Ainsi, la présente invention concerne une méthode de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une matrice en matériau polymérisable et/ou réticulable, dans laquelle: - on dépose sur un mandrin au moins une couche de composite, - on recouvre la couche de matériau composite, non polymérisé, et/ou non réticulé par au moins une couche de protection en matériau durcissable, - on durcit la couche de protection avant la polymérisation et/ou la réticulation de la couche de matériau composite. Le matériau de la couche de protection durcissable peut être choisi dans le groupe suivant: des résines thermodurcissables, des polymères thermoplastiques, des mousses rigides, des ciments, destissus imprégnés. Le mandrin peut être un tube continu. Par continu, il faut comprendre une longueur de tube, par exemple à partir de 30 m et pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres, qui peut être utilisée pour la mise en _uvre de la présente méthode de fabrication. La matrice du matériau composite peut être une composition à l'état B. La matrice peut être une composition thermodurcissable, à faible reprise d'eau, de pétroles et de ses composants ayant une transition vitreuse d'au moins 100 C, de préférence d'au moins 120 C et souvent d'au moins 140 C, la composition comprenant au moins une résine époxyde formée à partir d'au moins un polyépoxyde contenant dans sa molécule au moins deux groupes époxydes et d'au moins une polyamine aromatique comportant dans sa molécule au moins deux groupes amino primaires, au moins un substituant alcanoyle ayant de 1 à 12 atomes de carbone situé en alpha de l'un des groupes amino, le rapport molaire de l'amine à l'époxyde étant tel que, à chaque groupe amino, il corresponde de 1,6 à 2,6 groupes époxyde. Le mandrin peut être un tube en polymère thermoplastique, tel que les PE, les PP, les PA, le PVDF, le PEEK, extrudé en amont de l'étape de dépose de la couche de composite. Le mandrin peut être un tube métallique, un tube métallique ou plastique perforé, un treillis métallique ou plastique constituant un tube, une mousse rigide. La couche de protection peut être déposée par extrusion. 1S La couché de protection peut être constituée d'au moins une couche de fibres de renforts imprégnées ou enrobées d'une matrice organique. L'invention concerne également un dispositif de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une matrice en matériau polymérisable et/ou réticulable. Le dispositif comporte: - un mandrin sur lequel est déposée au moins une couche du matériau composite, - des moyens de recouvrement de la couche de matériau composite non polymérisé et/ou non réticulé par au moins une couche de protection en matériau durcissable, - des moyens de durcissement de la couche de protection avant polymérisation et/ou réticulation de la couche de matériau composite. Le dispositif peut avoir une chaîne de fabrication constituée par: - des moyens d'extrusion du mandrin, - des moyens d'enroulement filamentaire de la couche de composite sur le mandrin, - des moyens d'extrusion de la couche de protection sur la couche de composite, - des moyens de polymérisation du composite. Les moyens de durcissement de la couche de protection peuvent être placés en amont desdits moyens de polymérisation. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: les figures 1A et 1B montrent une pièce de forme tutulaire selon l'art antérieur et selon l'invention, les figures 2A et 2B montrent schématiquement un dispositif de fabrication d'une pièce tubulaire, respectivement selon l'art antérieur et selon la présente invention. La figure 1A montre en coupe un tube 1 selon l'art antérieur constitué d'un liner 2 servant de mandrin au bobinage 3 constitué par des fibres de renfort imprégnées d'une résine au stade B. En pénétrant dans le four 4 (figure 2A), le liner 2 maintient la structure de fibres imprégnées 3. L'élévation de température dans une première zone 5 du four provoque une fluidification de la résine qui reste dans un état mou et pâteux. Cette diminution de la viscosité entraîne un essorage par gravité et une déformation du tube. Au fur et à mesure du déplacement en translation de la structure vers la sortie du four, la viscosité de la résine va se modifier au fur et à mesure de la polymérisation et/ou de la réticulation, pour augmenter jusqu'à ce qu'elle devienne rigide dans la zone 6. Si le temps de latence de la résine est élevé, cet état mou et pâteux est relativement long. Cela pose un problème pour tracter la structure sans la déformer avant qu'elle ne devienne rigide. De plus, le four peut être exagérément long, ou la vitesse de défilement trop lente. Dans le cas de la présente invention, la figure 1B montre un liner 2, sur lequel sont bobinées les fibres 3 imprégnées de résine au stade B. et une couche ou coque de protection 7 en matériau durcissable. La figure 2B illustre schématiquement le procédé selon l'invention. Le liner 2 est recouvert d'une couche 3 de fibres de renfort enrobées de résine, puis pénètre dans un moyen 9 de fabrication ou de mise en place par recouvrement de la coque selon l'invention. Le tube ainsi constitué pénètre dans le four 11. Si la matière durcissable de la coque 7 est dans un état initialement mou et pâteux, elle est choisie pour rapidement atteindre son état stabilisé final dur et rigide dès le début de la zone 13 du four 11, alors que la résine 3, dite au stade B. est encore dans son état mou et pâteux. Pendant le déflement dans la zone 14, la polymérisation de la couche 3 se poursuit sans problème de pleurage ou de lO déformation car la coque extérieure 7, devenue rigide, maintien ladite couche 3 en sandwich entre le liner 2 et sa surface interne. Cette coque permet donc d'installer un dispositif de traction dès le début du procédé de fabrication. Cette coque de protection peut être constituée d'une matière durcissable de réactivité très nettement supérieure aux résines utilisées pour la réalisation du matériau composite, ou être de nature chimique et d'aspect différent. Dans le cas le plus général, on utilise des résines durcissables par l'action de la température, ou par d'autres moyens tels que par exemple: rayonnements W ou IR, micro ondes, ou ajout de catalyseurs ou amorceurs de polymérisation, des ciments (couche sacrificielle pouvant être éliminée ultérieurement c'est à dire en fin de zone de traction), des polymères thermoplastiques, des mousses rigides, des tissus pré-imprégnés durcissables, ou équivalents, c'est-à-dire tous les matériaux pouvant faire une couche rigide, résistante à la température de polymérisation des résines du composite, c'est- à-dire ne présentant aucune déformation ni écoulement ni altération durant la fabrication de la structure multicouche, la rigidité devant étre obtenue rapidement. Dans un exemple particulier d'application, on utilise une résine de type vinyl ester à température de transition vitreuse élevée qui satisfait aux critères définis en: - assurant par son plus fort retrait volumique lors de la polymérisation (de 8 à 10% contre 0,5 à 2 % pour les résines époxydes) une densification du système le rendant plus homogène donc moins déformable, polymérisant à une température peu élevée évitant l'essorage des fibres, atteignant une rigidité suffisante dans j un laps de temps suffisamment court, permettant de manipuler sans dommage la structure à l'intérieur du four. Comme dans le premier cas, les limitations en température de polymérisation de l'ensemble seront inhérentes à la nature du liner 2 et de ses propriétés physico chimiques (température de transition vitreuse, température de ramollissement, fusion, etc...). REVENDICATIONS 1. Méthode de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une matrice en matériau polymérisable et/ou réticulable caractérisée en ce que: À on dépose sur un mandrin (2) au moins une couche (3) dudit composite, À on recouvre ladite couche de matériau composite, non polymérisé, et/ou non réticulé par au moins une couche de protection (7) en matériau durcissable, 10. on durcit ladite couche de protection avant la polymérisation et/ou la réticulation de ladite couche de matériau composite. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de ladite couche de protection (7) est choisi dans le groupe suivant: des résines thermodurcissables, des polymères thermoplastiques, des mousses rigides, des ciments, des tissus imprégnés. 3. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit mandrin (2) est un tube continu. 4. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite matrice du matériau composite est une composition à l'état B. 5. Méthode selon la revendication 4, dans laquelle ladite matrice est une composition thermodurcissable, à faible reprise d'eau, de pétroles et de ses composants ayant une transition vitreuse d'au moins 100 C, de préférence d'au moins 120 C et souvent d'au moins 140 C, ladite composition comprenant au moins une résine époxyde formée à partir d'au moins un polyépoxyde contenant dans sa molécule au moins deux groupes époxydes et d'au moins une polyamine aromatique comportant dans sa molécule au moins deux groupes amino primaires, au moins un substituant alcanoyle ayant de 1 à 12 atomes de carbone situé en alpha de l'un des groupes amino, le rapport molaire de l'amine à l'époxyde étant tel que, à chaque groupe amino, il corresponde de 1,6 à 2,6 groupes époxyde. 6. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit mandrin est un tube en polymère thermoplastique, tel que les PE, les PP, les PA, le PVDF, le PEEK, extrudé en amont de l'étape de dépose de la couche de composite. 7. Méthode selon l'une des revendications 1 à b, dans laquelle ledit mandrin est un tube métallique, un tube métallique ou plastique perforé, un treillis métallique ou plastique constituant un tube, une mousse rigide. 8. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche de protection (7) est extrudée. 9. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche de protection (7) est constituée d'au moins une couche de fibres de renforts imprégnées ou enrobées d'une matrice organique. 10.Dispositif de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une matrice en matériau polymérisable et/ou réticulable, caractérisé en ce qu'il comporte: À un mandrin (2) sur lequel est déposée au moins une couche (3) dudit matériau composite, des moyens de recouvrement (9) de ladite couche (3) de matériau composite non polymérisé et/ou non réticulé par au moins une couche de protection (7) en matériau durcissable, des moyens de durcissement (11) de ladite couche de protection avant polymérisation et/ou réticulation de ladite couche de matériau composite. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la chaîne de fabrication est constituce par: des moyens d'extrusion dudit mandrin, des moyens d'enroulement filamentaire de la couche de composite sur le mandrin, des moyens d'extrusion de la couche de protection sur la couche de composite, 5. des moyens de polymérisation du composite. 12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens de durcissement de la couche de protection sont placés en amont desdits moyens de polymérisation.