Brevet FR2824890A1 — publié le 20021122

sur chacun de ses cotés (14). 1 2824890 Conduite flexible à voûte agrafée par le bas La présente invention concerne une conduite flexible pour véhiculer sur de grandes distances un fluide sous pression et le cas échéant sous haute température, tel qu'un gaz, du pétrole, de l'eau ou d'autres fluides. L 'invention vise tout p articulièrement une conduite de stinée à une exploitation pétrolière en mer. On sait qu'il existe d'une part les conduites de fond, dites "flow-lines", c'est-à-dire des conduites flexibles déroulées à o partir d'un bateau pour être posces généralement sur le fond de la mer et connectées aux installations sous-marines, de telles- conduites travaillant principalement en statique, et d'autre part, les colonnes montantes, dites "risers", c'est-à-dire des conduites flexibles déroulées à partir d'une installation de surface telle qu'une plate-forme et qui sont connectées aux installations sous-marines et dont la majeure partie ne repose pas sous le fond marin, de telles conduites travaillant essentiellement en dynarnique. L' invention vise plus p articulièrement l es conduite s travaillant en dynamique. Les conduites flexibles utilisces en mer doivent pouvoir résister à des pressions internes et/ ou à des pressions externes fortes et supporter également des flexions longitudinales ou des torsions sans risque de rupture. Elles présentent des confgurations variées en fonction de leur utilisation précise mais répondent en général aux critères constructifs définis notamment dans les recommandations API 17 B et API 17 J établies par l'American Petroleum Institute sous l'intitulé "Recommended Practice for Flexible Pipe". Une conduite flexible comprend généralement de l'intérieur vers l'extérieur: so - une gaine d'étanchéité interne réalisée en matière plastique, généralement polymère, résistant plus ou moins à l'action chimique du fluide à transporter; - une voûte de pression résistant principalement à la pression développée par le fluide dans la gaine d'étanchéité et constituée par l'enroulement en 2 2824890 hélice à pas court, autour de la gaine interne, d'un ou plusieurs fils métalliques de forme agratés (auto-agraLables ou non); - au moins une nappe (et généralement au moins deux nappes croisées) d' armures de traction dont l ' angle d' armage me suré sur l ' axe longitudinal de la conduite est inférieur à 55 ; et - une gaine de protection et d'étanchéité externe en polymère. Une telle structure est celle d'une conduite à passage lisse, dite "smooth bore". Dans une conduite à passage non-lisse, dite "rough bore", on prévoit en outre à l'intérieur de la gaine d'étanchéité interne une carcasse o constituce d'un feuillard agraSé qui sert à empêcher l'écrasement (en anglais "collapse") de la conduite sous pression externe. La voûte de pression est constituée par un enroulement à spires non jointives pour doter la conduite d'une certaine flexibilité. Par spires non jointives, on entend des spires entre lesquelles est ménagé un certain espace ou interstice, dénommé par la suite "déjoint", et qui peut être d'autant plus grand que le fil de forme enroulé est gros. Il existe deux types de voûtes de pression: les voûtes de pression pour des applications statiques, les voûtes de pression pour des applications dynamiques. o Pour les applications statiques, les voûtes de pression n'ont qu'à reprendre les pressions interne et externe. Elles ne sont pas soumises à la fatigue engendrée par les frottements dus à des sollicitations dynamiques. Dans ce cas, on peut utiliser des fls de voûte avec n'importe quel type d'agraLage. On sélectionne le fl (section et inertie) en fonction des pressions interne et externe. Pour les applications dynamiques telles que principalement visées par l'invention, les voûtes de pression doivent reprendre en plus des pre s s i on s interne et externe, de s c o nkainte s imp ortante s due s aux sollicitations dynamiques. Ces contraintes sont dues à des contacts entre les o fils constituant la voûte. Ces contacts engendrent des frottements qui, liés à des pre s s ions d' appuis imp ortante s, entraînent une réduction de la durée de vie par fssuration en fatigue des profilés. On rencontre ce problème par exemple dans la conduite connue par US 4 549 581 qui montre l'agrafage de fls en U par le bas, par des agrates s5 en U. Ces agrates sont trop faibles pour résister aux sollicitations 3 2824890 dynamiques. En fait, une telle agrate ne reprend en elle-même que peu de coukaintes; elle fléchit et s'appuie sur le profil du fil de forme. Il en résulte des moments de flexion et donc des coukaintes alternées, plus ou moins importantes en fonction de la position et donc du niveau de dynamisme. Dans ce cas, la tenue en conditions dynamiques est fonction de la position initiale du profil par rapport à l'agrafe, et du niveau de dynamisme, donc de l'amplitude des vagues. On doit ajuster les sections et les caractéristiques de la matière en fonction des niveaux de sévérité. Ce type d'agratage limite considérablement la performance de la voûte de pression dans les o applications dynamiques. C'est pourquoi la Demanderesse a déjà proposé dans le document FR 2 727 738 de remonter la zone d'agrafe dans la partie supérieure de la voûte de pression. L'agratage étant réalisé par le haut, l'agrate est peu soumise à la pression interne (reprise par le fil de forme, ici en "têta") et aux amplitudes du déplacement dû aux sollicitations dynamiques. Selon le document EP 0 431 142, concernant aussi une voûte de pression à fil de forme en "têta", l'agrafage se fait sensiblement au niveau de la fibre neuke. Dans le brevet US 5 730 188, on a proposé pour améliorer la résistance à la fatigue en dynamique des fils en "zêta" de remonter la zone d'agraLage dans la partie supérieure de la voûte et de faire un chanfrein sur l'aile supérieure du fil. Ce fil de forme permet de limiter les contacts au niveau de la zone d'agraLage et augmente ainsi la résistance à la fatigue de la voûte de pression. La Demanderesse a aussi proposé dans le document FR 2 783 142 d'utiliser un fil de forme allégé de forte inertie, en forme de I, qui, pour les applications dynamiques est également agraté par le haut. On voit donc que pour les applications dynamiques, un consensus s'est établi pour utiliser exclusivement l'agraLage du fil de forme par le haut. o Pour les applications en grande profondeur, on cherche à avoir de l'inertie au niveau de la voûte de pression de manière à reprendre aussi la pression externe. Dans ce cas, le fil de forme constituant la voûte a une hauteur relativement importante qui, dans une application dynamique avec agraLage par le haut, enkaîne la création d'un déjoint important. La gaine ss interne peut fluer dans ce volume important sous l'effet de la température et 4 2824890 de la pression interne, ce qui entraîne so it une détérioration de la gaine soit le dégrafage de la voûte de pression. On peut palier ce problème en prévoyant une surépaisseur de la gaine de pression, mais cela renchérit le coût de cette gaine. C'est pourquoi la Demanderesse a également proposé, dans le document FR 2 782 141, des dispositifs anti-fluage pour masquer ces déjoints. Cependant, l'utilisation de ces dispositifs enchérit le coût de la fabrication de ces voûtes de pression. Le but de l'invention est de proposer une conduite dont la voûte de o pression est adaptée pour bien résister aux sollicitations dynamiques en grande profondeur, sans présenter les inconvénients des conduites connues. La présente invention atteint son but grâce à une conduite toLulaire flexible de type "rough bore" ou "smooth bore", c'est-à-dire comprenant au moins, de l'intérieur vers l'extérieur, une gaine d'étanchéité interne en s matière polymère, une voûte de pression cylindrique présentant une face externe et une face interne disposée au-dessus de la gaine interne, la voûte étant constituée par l'enroulement en hélice à pas court et avec déjoint entre spires d'un fil métallique de forme agraLé par le bas par un fil d'agrafe, au moins une nappe d'armures de traction enroulées à pas long et une gaine de o protection et d'étanchéité externe en polymère, caractérisoe en ce que le fil d'agrate a sensiblement la même hauteur que le fil de forme et s'agraLe, sans contact radial nominal, au-dessous de la fibre neutre du fil (c'est-à-dire la fibre o il n'y a pas d'allongement lors du spiralage, au niveau du barycentre de la section du fil). Par absence de contact radial nominal, on entend que le s fil de forme et le fil d'agrate sont conformés avec un jeu radial nominal au niveau de leurs zones d'agrafage. En pratique, la zone d'agrafage, définie par le le plan moyen de l'agratage, est localisée au niveau du 1/3 inférieur de la hauteur du fl de forme et du fil d'agraLe, ou plus bas. Cet agrafage par le bas permet d'éviter le problème de fluage de la gaine interne. La hauteur o et la section du fil d'agrate concourt à l'absence de contact radial entre le fil d'agrate et le fil de forme; de ce fait, le fil d'agrafe absorbe et transmet les contraintes de pressions vers l'extérieur de la voûte. Le fil d'agrafe est dimensionné de manière à permettre la reprise des contraintes dues à la pression interne sans la contribution du fil de forme; ainsi, il n'y a pas de s transmission importante des contraintes au niveau des tétons d'agrafage. Il 2824890 est avantageux que la section du fil d'agrafe soit proche de la section du fl de forme. De manière pratique, le rapport des sections du fil de forme au fl d'agrafe est compris entre 1 et 2 (et de prétérence enke 1 et 1,6) alors que, dans l'art antérieur, ce rapport est plus grand que 2 et le plus couramment s supérieur à 4 ou 5. De même, le rapport des inerties Iyy du fil de forme au fl d'agraLe est avantageusement compris entre 1 et 2, ce qui permet de ne pas trop diminuer l'inertie moyenne de la voûte de pression par rapport à celle du fl de forme seul. De manière avantageuse, la hauteur du fil d'agrafe est la même ou sensiblement la même que la hauteur du fil de o forme, ce qui permet d'avoir un diamètre externe constant et une meilleure répartition des contraintes. Avantageusement, pour une conduite utilisée comme colonne montante ("riser"), une frette de faible épaisseur est enroulée au-dessus de la voûte de pression, en tête de la colonne. s L'invention est applicable à plusieurs sortes de sections de fil, Avantageusement cependant, le fl de forme de la voûte de pression est à section allégée, en I, et en particulier sous la forme dérivée en "psi". Le fil d'agraLe est avantageusement à section en T. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématiques annexés représentant à titre d'exemple des formes de réalisation de la conduite flexible selon l'invention. D'autres avantages et caractéristiques seront mis en évidence à la lecture de la description. La fgure 1 est une vue en perspective schématique montrant les couches successives d'une conduite (ici de type "smooth bore") à laquelle s'applique l'invention. La figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale de la voûte de pression d'une conduite flexible conforme à l'invention, avec un fl de forme en "psi". so Les figures 3 et 4 illustrent deux variantes de voûtes de pression conformes à l'invention, Les fgures 5 à 8 illustrent des voûtes de pression connues de l'art antérieur. Comme le montre la figure 1, et de manière générale, une conduite s de type "smooth bore" comprend de l'intérieur vers l'extérieur une gaine 6 2824890 d'étanchéité interne polymérique 1, une voûte métallique 2 constituée par l'enroulement en hélice d'au moins un fl métallique de forme agraLé, une armure résistant à la traction axiale dans le sens longitudinal de la conduite et habituellement constituée d'une ou plusieurs paires de nappes croisées 3, s 4 d'enroulement en sens contraire, et d'une gaine d'étanchéité externe polymérique 5. D'autres couches non représentées peuvent être prévues, selon le type et la destination de la conduite, comme par exemple une carcasse interne sous la gaine interne d'étanchéité 1 (conduite "rough bore"), une couche de frette constituée par un enroulement à pas court de fil o rectangulaire interposée entre la voûte de pression 2 et la première nappe d'armure 3, et des gaines interrnédiaires disposées entre diverses nappes d'armures. On- a représenté aux figures 5 à 8 des voûtes de pression connues de l'art antérieur. La figure 5 montre un profl en "zêta" dissymétrique avec autoagraLage par le haut, la fgure 6 montre un profil en "têta" agraié par un U par le haut, la fgure 7 montre un profil en T autoagrafé, et la fgure 8 un profl dont les zones d'agraLage sont dissymétriques. Le problème de toutes ces voûtes de pression est le fluage dans les déjoints. C'est ce problème que résout l'invention représentée aux fgures 2 à 4. o Comme le montre la figure 2, la voûte de pression 2 est constituée par un enroulement d'un fl de forme en "psi" 10 agraté par un fl d'agrafe 20. Le fl d'agrafe 20 a ici sensiblement la même hauteur que le profil 10 et l'un et l'autre sont conformés de manière à éviter tout contact radial entre le fil d'agraLe et le fil de forme en situation normale, et ce, afn d'éviter la fissuration au niveau des tétons d'agrafage. Le profil 10 est un profil en "psi" à l'envers, comportant, une âme 12, de s ail es externes (c'e st-à-dire tournées du côté de l ' extéri eur de l a conduite) relativement larges 13 formant une base droite 14 (une base droite en coupe, correspondant donc à une surface courbe cylindrique), des ailes internes 15 séparées par un patin central 16. Les ailes internes 15 sont terrninées par un retord ou téton d'agrafage 17 tourné vers l'intérieur de la conduite et séparé du patin central 16 par une zone droite de fond d'aile 18. Le fil d'agrate 20 a un profl constitué aussi d'une âme 22, d'ailes externes relativement courtes 23 formant une base droite 24, et d'ailes internes 25 formant une base droite 26. Les ailes internes 25 sont terminées p ar un ret ord ou téton d' agraLage 27 tourné vers l' extérieur de la conduite et séparé d'une partie inclinée de raccordement 29 avec l'âme 22 par une zone droite de fond d'aile 28. La largeur des fonds d'aile 18, 28 est sensiblement égale et permet un s débattement de position entre le profil 10 et le fil d'agrate 20, entre une position accolée (entre le profil gauche 10 de la f1gure 1 et l'agrafe 20) et une position écartée (entre le profil droit 10 de la figure 1 et l'agrafe 20). La hauteur du patin central 16 par rapport au fond d'aile 18 définit la limite haute de la zone d'agraLage et est inférieure ou égale au tiers de la o hauteur du profil (par exemple ici, 6,4 mm pour une hauteur de profil de 21 mm). La différence de hauteur entre le patin central 16 et le téton d'agratage 27 laisse un jeu "e" évitant le contact et l'usure par frottement. Si, par suite des variations dimensionnelles liées aux tolérances, aux s déformations, à la pose, etc., il apparaît initialement des contacts, ceux-ci disparaissent par usure. Même en cas de contacts, le fil d'agraie ne travaille pratiquement pas en flexion, du fait de son dimensionnement, et les contraintes alternées sont engendrées uniquement par le frottement, c'està- dire par des applications de pression très ponctuelles. Les contraintes sont o donc touj ours de même niveau (à pression et coefficient de frottement constant) quel que soit le niveau de dynamisme, ce qui est complètement différent par rapport aux solutions de l'art antérieur. Par conséquent la tenue en fatigue de l'agrafe sera nettement moins sensible à la position initiale du profil (contact) et aux variations de sollicitations dynamiques. s La largeur de la base 14 extérieure du fil de forme (par exemple 28,6 mm) est sensiblement égale à la largeur de la base intérieure 26 du fil d'agraLe (par exemple 29 mm), et la largeur du patin intérieur 16 (par exemple 14 mm) est sensiblement égale à la largeur de la base extérieure 24 de l'agrafe (par exemple 14,2 mm), de manière à équilibrer les pressions interne et externe. Dans le mode de réalisation représenté, l'inertie Ixx et l'inertie Iyy du fil de forme sont respectivement 14536 mm4 et 15165 mm4, et celles du fl d'agraLe sont respectivement 13035 mm4 et 11319 mm4. Les aires respectives d'une section du profil et du fil d'agrafe sont 356,3 mm2 et 289,3 ss mm2. On voit que dans cet exemple, les rapports des inerties Iyy ou des aires d'une section du fil de forme par rapport à celles du fil d'agrate sont voisines de 1. Les figures 3 et 4 montrent deux variantes de réalisation d'une voûte de pression conforme à l'invention. s Selon la fgure 3, le profil 10 est un profl en "têta" coopérant avec un fil d'agrafe en T (sans évidements) agrafé par le bas, en dessous du tiers de la hauteur de la voûte. L'aire et l'inertie Iyy du profil 10 sont ici sensiblement plus grandes que celles du fl d'agrate 20, dans un rapport toutefois inférieur à 2. o Selon la fgure 4, on a "allégé" le fil de forme 10 pour lui donner une forrne en "psi" de sorte que son inertie se rapproche de celle du fil d'agrate , identique à celui de la figure 3. En tête de colonne montante ("riser"), la pression interne est très supérieure à la pression externe. La voûte de pression doit absorber des contraintes importantes qui, associées aux sollicitations dynamiques, peuvent entraner des problèmes de fatigue dans cette région de la colonne. Pour pallier ce problème, une première solution est de donner de la section au fil de forme et au fil d'agrafe, comme proposé dans les fgures 3 et 4. Une autre solution est d'enrouler au-dessus de la voûte de pression une o frette 30 de très faible épaisseur par rapport à la voûte, comme représenté en tirets sur la figure 2. L'épaisseur est de l'ordre de 5 mm. Cette couche de frette 30 peut n'être introduite qu'en tête de colonne montante (là o c'est nécessaire) et être remplacée ailleurs par un bourrage plastique ou n'être pas remplacée du tout. Un autre avantage de cette solution est que la frette peut s être utilisée pour limiter le fluage d'une éventuelle gaine anti-écrasement au-dessus de la voûte de pression. REVENDICATIONS 5. Conduite tuLulaire flexible comprenant au moins, de l'intérieur vers l'extérieur, une gaine d'étanchéité interne (1) en matière polymère, une voûte de pression cylindrique (2) présentant une face externe et une face interne disposée au-dessus de la gaine interne (1), la voûte (2) étant constituée par l'enroulement en hélice à pas court et avec déjoint entre to spires d'un fil métallique de forme (10) agrafé par le bas à l'aide d'un fil d'agrafe (20), au moins une nappe (3, 4) d'arrnures de traction enroulées à pas long et une gaine (5) de protection et d'étanchéité externe en polymère; caractérisée en ce que le fil d'agrate (20) a sensiblement la même hauteur que le fil de forme (10) et s'agrafe, sans contact radial nominal, au niveau ou en dessous du tiers de la hauteur du fil de forme (10), le rapport des sections du fil de forme (10) au fil d'agrafe (20) étant compris entre 1 et 2. :. Conduite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport des o sections du fil de forme (10) et du fil d'agrafe (20) est de préférence inférieur à 1,6. 3. Conduite selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le rapport des inerties Iyy du fil de forme (10) au fil d'agrate (20) est compris entre 1 et 2. 4. Conduite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une frette (30) de faible épaisseur est enroulée au-dessus de la voûte de pression. 5. Conduite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée