Brevet FR2844022A1 — publié le 20040305

La présente invention se rapporte au domaine des conduites flexibles utilisées par l'industrie pétrolière. Plus particulièrement, la présente invention propose une conduite flexible comprenant un tube interne métallique ondulé multicouche. Les conduites flexibles sont notamment utilisées par l'industrie pétrolière pour convoyer le pétrole d'une tête de puits implantée au fond de la mer à une installation de traitement située à la surface de la mer. Les conduites posées sur le fond de la mer, couramment appelées " flow line ", 10 subissent principalement des contraintes mécaniques statiques, par contre, les conduites reliant le fond de la mer à la surface, couramment appelées " riser ", sont sollicitées mécaniquement de manière statique et dynamique. Les conduites flexibles utilisées doivent pouvoir résister à des pressions internes et/ou à des pressions externes fortes et supporter également 15 des flexions longitudinales ou des torsions sans risque de rupture. Les normes API 17B et API 17J décrivent des structures de conduites flexibles et établissent des critères généraux quant à la construction de conduites flexibles. Le document FR 2756605 propose de réaliser une conduite flexible comportant de l'intérieur vers l'extérieur: - un tube onduleux métallique interne. Le tube est continu et étanche au gaz, - un renfort métallique couramment appelé "vote de pression", 25 - une gaine polymère intermédiaire d'étanchéité, - au moins une nappe d'armure de traction, - une gaine de protection et d'étanchéité externe en polymère. La présence du tube onduleux interne empêche la diffusion des gaz acides contenus dans le fluide convoyé vers la vote et les nappes d'armure de traction. Ainsi les matériaux métalliques de la vote et des nappes d'armure de traction peuvent être choisis sans respecter le critère de résistance à la corrosion tel que défini par les normes API. Le tube onduleux est un tube continu monocouche. Il est réalisé en 5 fabriquant un tube cylindrique, puis en formant des ondulations sur le tube cylindrique. La présente invention a notamment pour but de perfectionner le tube onduleux métallique interne. Elle propose de réaliser un tube onduleux 10 comportant plusieurs couches, la somme des épaisseurs de chaque couche pouvant être égale à l'épaisseur du tube monocouche de l'art antérieur. La présente invention concerne une conduite flexible comportant un 15 tube métallique étanche dont la paroi comporte des ondulations, et une vote de résistance à la pression en fil métallique enroulé hélicodalement autour dudit tube métallique, caractérisée en ce que ladite paroi du tube comporte au moins deux couches. Selon l'invention, le tube métallique étanche peut comporter un feuillard onduleux enroulé hélicodalement autour de l'axe de la conduite, les spires du feuillard recouvrant les spires adjacentes sur au moins une période d'ondulations. Selon un premier mode de réalisation, la période d'ondulation peut être constituée d'une crête et d'un creux, le feuillard onduleux comportant trois crêtes et deux creux, les spires du feuillard recouvrant deux crêtes et un creux des spires adjacentes et un cordon de soudure hélicodal peut solidariser trois spires superposées. Selon un deuxième mode de réalisation, la période d'ondulation peut être constituée d'une crête et d'un creux, le feuillard onduleux comportant quatre crêtes et trois creux, les spires du feuillard recouvrant deux crêtes et 5 trois creux des spires adjacentes et un cordon de soudure hélicodal peut solidariser quatre spires superposées. Le cordon de soudure peut être disposé dans un creux ou sur une crête. Le feuillard peut comporter une première face constituée d'un premier matériau et une deuxième face constituée d'un deuxième matériau qui résiste mieux à la corrosion que ledit premier matériau. Les ondulations peuvent être en hélice formant un angle supérieur à 15 80 par rapport à l'axe de la conduite. Selon un troisième mode de réalisation, le tube métallique étanche peut comporter un premier tube et un deuxième tube coaxiaux. La forme du fil de la vote peut coopérer avec la forme des ondulations. Une gaine d'étanchéité en polymère extrudé peut être disposée autour de ladite vote. La présente invention concerne également un premier procédé de 25 fabrication d'une conduite flexible comportant les étapes: a) on impose un mouvement d'avance à un feuillard, b) on déforme plastiquement le feuillard par profilage pour obtenir un feuillard profilé, la section du feuillard profilé comportant au moins deux périodes d'ondulations, c) on enroule le feuillard selon une hélice autour de l'axe de la conduite pour réaliser un tube onduleux, au moins une période d'ondulations dudit feuillard profilé recouvrant l'extrémité dudit tube onduleux pour que ledit tube comporte au moins deux couches, d) on réalise un cordon de soudure entre lesdites couches, e) on enroule un fil métallique selon une hélice autour dudit tube onduleux pour réaliser une vote. A l'étape d), on peut réaliser le cordon de soudure de manière continu 10 et en suivant une hélice. A l'étape d), on peut réaliser le cordon sur une extrémité libre du feuillard profilé. A l'étape c), l'angle d'enroulement par rapport à l'axe de la conduite peut être supérieur à 80 . L'invention concerne également un deuxième procédé de fabrication 15 d'une conduite flexible comportant les étapes: a) on fabrique un premier tube cylindrique, b) On fabrique un deuxième tube cylindrique coaxial au premier tube pour obtenir un tube cylindrique à deux couches, c) On forme des ondulations sur le tube cylindrique à deux couches. 20 En cas d'enroulement de la conduite flexible à un rayon de courbure donné, les couches d'un tube onduleux multicouche sont soumises à un taux de déformation élastique ou plastique inférieur à celui engendré dans un tube onduleux monocouche de même épaisseur globale. Le taux de déformation 25 désigne le rapport entre la valeur de l'allongement d'une dimension et la valeur initiale de cette dimension. L'abaissement du taux de déformation du tube est favorable vis à vis de la tenue en fatigue du tube onduleux. Or, pendant les opérations d'enroulement-déroulement inhérentes au mode de fabrication et au mode d'installation des conduites flexibles (le tube onduleux interne voit toutes les étapes ultérieures du procédé de fabrication de la conduite) et en service ("riser" soumis à des sollicitations dynamiques), le tube onduleux est soumis à de nombreux cycles de fatigue. Par conséquent, le tube onduleux multicouche présente une durée de vie plus importante qu'un tube 5 onduleux monocouche. En conservant une même épaisseur globale, le tube multicouche présente des propriétés de tenue à la corrosion et de tenue mécanique statique identiques à celles d'un tube monocouche. De plus, la meilleure tenue en fatigue d'un tube onduleux multicouche permet de sélectionner un matériau dont la tenue mécanique en fatigue est 0 plus faible mais dont la tenue à la corrosion est meilleure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après à titre d'exemple en se référant aux dessins parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective et partielle d'une conduite flexible selon l'invention, - la figure 1A représente une section d'un tube onduleux entouré d'une vote, - la figure 2 représente la forme extérieure d'un tube onduleux, - la figure 3 schématise un premier procédé de fabrication du tube onduleux, - la figure 3A représente un feuillard, - les figures 4 et 5 représentent des structures du tube onduleux obtenu selon le procédé décrit en relation avec la figure 3, 25 - la figure 6 représente une section d'un tube onduleux, - la figure 7 représente un deuxième procédé de fabrication du tube onduleux. La conduite flexible d'axe AA', telle que représentée sur la figure 1, comprend de l'intérieur vers l'extérieur, un tube onduleux interne métallique 1, une vote 2, éventuellement une gaine polymère 3 d'étanchéité, éventuellement deux nappes d'armure de traction 4 et 5 et éventuellement une gaine 6 de protection externe. La vote 2 est constituée par des fils métalliques profilés enroulés selon une hélice à pas cours (c'est à dire avec un angle d'enroulement supérieur à 80 par rapport à l'axe de la conduite) autour du tube onduleux. Les fils sont séparés par un jeu, par exemple de l'ordre de 5 % à 8 % de la 10 largeur du fil, permettant la flexibilité de la vote, donc de la conduite. Les fils métalliques peuvent être non agrafables ou présenter une forme de T, de Z ou de U permettant l'agrafage. La vote métallique assure notamment la résistance à l'éclatement lorsque la conduite est soumise à une forte pression interne et participe à la résistance à l'écrasement lorsque la conduite est 15 soumise à une forte pression externe. La gaine 3 est généralement constituée en matériau thermoplastique à haut point de fusion, par exemple du type polyamide. La gaine 3 est extrudée autour de la vote 2. Elle est notamment destinée à assurer l'étanchéité de la conduite et à empêcher un écrasement de la conduite en s'appuyant sur la 20 vote, lors de fortes pressions externes s'exerçant sur la conduite. Les nappes d'armure 4 et 5 sont constituées de fils métalliques enroulés selon une hélice à pas long (c'est à dire avec un angle d'enroulement inférieur à 60 par rapport à l'axe de la conduite) autour de la gaine 3. Les nappes d'armure de traction assurent notamment la résistance à la traction de 25 la conduite. La section des fils peut être rectangulaire. Les fils de la nappe d'armure 5 peuvent être croisés par rapport aux fils de la nappe d'armure 4. Selon un autre mode de réalisation, la gaine d'étanchéité 3 peut également être extrudée entre deux nappes d'armure 4 et 5, la nappe d'armure 4 étant constituée de fils enroulés autour de la vote 2. La gaine 6 peut être en polymère extrudé autour de la nappe d'armure 5. Elle assure la protection externe de la conduite et éventuellement l'étanchéité de la conduite. La figure 2 représente une coupe d'un tube onduleux selon un plan contenant l'axe AA' de la conduite flexible (seule la ligne moyenne du tube onduleux est représentée). La distance moyenne Dm qui sépare le tube onduleux de l'axe AA' est constante sur toute la longueur du tube. Les ondulations sont formées par une succession de crêtes et de creux. Une crête 10 10 désigne les parties du tube dont la distance par rapport à l'axe AA' est supérieure à la distance moyenne Dm. Un creux 11 désigne les parties du tube dont la distance par rapport à l'axe AA' est inférieure à la distance moyenne Dm. Les ondulations sont hélicodales, c'est à dire qu'un creux ou une crête forme une hélice sur la paroi du tube onduleux. Deux creux successifs peuvent 15 être disposés sur une unique hélice. Deux creux successifs peuvent également être disposés sur deux hélices distinctes. Le tube onduleux présente des ondulations périodiques, c'est à dire que la forme des ondulations est identique sur toute la longueur du tube. Une période d'ondulation est définie par la forme unitaire des ondulations. Une période d'ondulation peut être 20 caractérisée par la distance P qui sépare deux crêtes ou deux creux successifs, la distance P étant mesurée selon une direction parallèle à l'axe AA'. La forme des ondulations peut être sinusodale, circulaire ou autre. La forme des crêtes peut être ou non symétrique par rapport à la forme des creux 11. Les fils constituant la vote 2 peuvent également présenter des formes telles que décrites par le document FR 2756605 en relation avec ses figures 3 à 9. La figure 1A, coupe selon l'axe AA', représente la ligne moyenne d'un tube onduleux et d'une vote. La vote est composée du fil métallique 8 entouré autour du tube onduleux 9. La partie du fil 8 qui est en regard avec le tube 9 a une forme qui coopère avec le tube 9, c'est à dire que la forme du fil 8 épouse les ondulations du tube 9. La section orthogonale du fil métallique 8 possède un téton Sa qui vient se loger dans un creux 9a du tube 9. Selon la présente invention, le tube onduleux 1 est constitué de plusieurs couches, c'est à dire que le tube onduleux est constitué d'au moins deux couches distinctes et superposées. La figure 3 schématise un procédé de fabrication du tube onduleux 10 interne métallique 1. Un feuillard métallique 24 est disponible sous forme de bobine 21. En déroulant la bobine 21, on obtient le défilement selon la direction V du feuillard 24 de surface plane et de largeur définie. La largeur ú du feuillard peut être comprise entre 0,01 m et 1 m, l'épaisseur e du feuillard peut être supérieure à 0,1 mm. On introduit le feuillard 24 dans la machine à 15 profiler 22 pour former des ondulations. La machine à profiler 22 est composée de couples de galets dont les formes sont complémentaires. La section transversale (perpendiculaire au sens de défilement) du feuillard 25 sortant de la machine à profiler 22 comporte des ondulations. La génératrice des ondulations du feuillard 25 est parallèle à la direction de défilement V. La 20 forme des ondulations de la section transversale du feuillard 25 est sensiblement identique à la forme des ondulations du tube onduleux 1 vu selon une coupe passant par l'axe AA' du tube. Les ondulations du feuillard 25 comportent au moins deux formes unitaires d'ondulations, c'est à dire au moins deux périodes d'ondulation (deux crêtes et deux creux). Des galets et des 25 rouleaux guident et imposent le mouvement d'avance aux feuillards 24 et 25. Ensuite, le feuillard ondulé 25 est enroulé autour de l'axe de la conduite AA'. L'enroulement est effectué suivant une hélice à pas cours autour de l'axe AA'. L'angle d'enroulement peut être supérieur à 80 par rapport à l'axe AA' de la conduite. Pour faciliter l'enroulement, la direction de défilement V du feuillard fait un angle of par rapport à l'axe AA', l'angle ac étant égal à l'angle d'enroulement du feuillard 25. Le feuillard 25 recouvre la dernière spire formée sur au moins une période de l'ondulation (ou sur au moins une distance axiale P). Par exemple, une crête et un creux successifs d'une spire recouvrent 5 une crête et un creux successifs de la spire adjacente. L'outil 23 réalise un cordon de soudure continu pour solidariser une spire avec la spire ou les spires adjacentes et pour assurer l'étanchéité du tube onduleux. Le cordon de soudure a la forme d'une hélice qui est sensiblement identique à la forme de l'hélice de l'enroulement du feuillard. Il peut être disposé proche des extrémités libres du 10 feuillard 25 et peut être réalisé sur une crête ou dans un creux des ondulations. La soudure solidarise toutes les couches qui sont superposées. Pour réaliser la soudure, on peut par exemple utiliser un procédé électrique comme le soudage à la molette ou un procédé à haute densité d'énergie comme le soudage laser. Le tube 20 peut être animé d'un mouvement hélicodal autour 15 de l'axe AA', la bobine 21, la machine à profiler 22 et l'outil 23 étant fixes. Selon une variante, la bobine 21, la machine à profiler 22 et l'outil 23 sont animés d'un mouvement de rotation autour de l'axe AA' et le tube 20 est animé d'un mouvement d'avance dans la direction de l'axe AA'. Après fabrication du tube onduleux, la distance, mesurée selon une direction radiale du tube, 20 séparant deux parties de spires superposées peut être inférieure à cinq fois l'épaisseur e du feuillard, de préférence inférieure à une fois l'épaisseur e du feuillard. Le feuillard 24 représenté par la figure 3A comporte deux faces X et Y, le matériau de la face X étant différent de celui de la face Y. Le feuillard 24 25 peut être constitué par deux feuilles de matériaux différents, une feuille étant collée et recouvrant l'autre feuille. Ainsi, la face X du feuillard est composée d'un acier résistant à la corrosion, par exemple un acier austéno-ferritique. La face Y du feuillard est composée d'un acier dont la résistance mécanique est supérieure à celui de la face A. On peut mettre en oeuvre le procédé décrit en relation avec la figure 3 en utilisant un feuillard décrit en relation avec la figure 3A pour obtenir un tube onduleux dont la paroi interne est composée du matériau de la face X et dont la paroi externe est composée du matériau de la face Y. La figure 4 représente une coupe d'un tube onduleux 30 selon un plan passant par l'axe AA' de la conduite. Le tube 30 comporte deux couches de feuillard. Il est constitué par l'enroulement d'un feuillard comportant deux creux et trois crêtes. Par exemple la spire 32 comporte les creux C et E, ainsi que les crêtes B, D et F. Une spire recouvre deux crêtes et un creux de la spire 10 adjacente. La spire 32 recouvre les crêtes B et D, ainsi que le creux C de la spire 31. La spire 32 est recouverte par les crêtes D et F, ainsi que par le creux E de la spire 33. Le cordon de soudure 34 est de forme hélicodale. Il est disposé sur le sommet des crêtes et solidarise trois spires superposées. Sur la crête D, le cordon de soudure 34 solidarise les spires 31, 32 et 33. La figure 5 représente une coupe d'un tube onduleux 30 selon un plan passant par l'axe AA' de la conduite. Le tube 40 comporte trois couches de feuillard. Il est constitué par l'enroulement d'un feuillard comportant trois creux et quatre crêtes. Une spire recouvre trois crêtes et deux creux de la spire adjacente. Le cordon de soudure est disposé sur le fond des creux et solidarise 20 quatre spires superposées. Les matériaux constituant le tube onduleux interne sont des alliages métalliques résistant à la corrosion par les effluents pétroliers afin de garantir le maintien de l'étanchéité durant la vie de la conduite. Par exemple de l'acier 25 austéno-ferritique (UNS S31803), de l'acier austénitique (UNS S31254), ou à base de nickel (N 06625). Le cordon de soudure doit également résister à la corrosion. Des calculs par éléments finis, dans le cas d'un profil d'onde circulaire symétrique, illustrent l'intérêt du tube onduleux à deux couches par comparaison avec un onduleux monocouche de même épaisseur globale. On compare la durée de vie d'un tube formé par une couche simple de 1,2 mm 5 d'épaisseur e et la durée de vie d'un tube bicouche formé de deux feuillards ondulés de 0,6 mm d'épaisseur chacun. Le pas P est de 30 mm et la profondeur H de 8 mm avec des rayons R1 et R2 identiques de 9 mm (voir figure 6). On applique des cycles de flexion alternée à plus ou moins deux fois le rayon de courbure maximale du tube. On en déduit la variation de la déformation 10 plastique cumulée sur un quart de cycle. Les deux surfaces des couches du tube bicouche sont, dans cet exemple, considérées en contact mais peuvent glisser l'une sur l'autre. La durée de vie N (en nombre de cycles) en fonction de la déformation plastique (appliquée à chaque cycle) p est calculée avec une loi de Manson15 Coffin obtenue à partir d'essais de fatigue en tractioncompression. Cette loi est de la forme: úp = K x Na o K et ac sont des constantes. Pour une situation identique de sollicitation mécanique de la conduite 20 flexible, la déformation plastique maximale cumulée en surface externe du tube onduleux bicouche est réduite de plus de 40% par rapport au tube onduleux monocouche de même épaisseur totale. En s'appuyant sur des courbes de Manson-Coffin expérimentales établies sur un alliage austénitique, il s'ensuit un accroissement de 150% de la durée de vie en fatigue. Ce gain sur 25 la durée de vie augmente avec le nombre de couches constituant le tube onduleux car le taux de déformation diminue avec l'épaisseur des couches. L'emplacement le plus sollicité est le même dans les deux cas étudiés: il s'agit de la crête de l'onde. Si la soudure est positionnée à cet emplacement, il faut choisir des conditions de soudage et/ou un produit d'apport tels que le cordon de soudure a une tenue mécanique au moins égale à celle du métal de base. A défaut, on peut positionner la soudure dans une zone moins sollicitée, par exemple dans le creux d'une onde. La figure 7 schématise un deuxième procédé de fabrication du tube onduleux interne métallique 1. On fabrique en premier le tube 51 cylindrique d'axe AA'. Le tube 51 peut être fabriqué à partir d'un feuillard continu soudé selon un cordon longitudinal ou en hélice. Puis on dispose un deuxième tube 52 autour du premier tube 51. Le tube 52 peut être fabriqué puis emmanché sur 10 le tube 51 ou fabriqué directement autour du tube 51. Le deuxième tube 52 peut ne pas être soudé sur le premier tube 51. Le matériau du premier tube 51 peut être différent du matériau du deuxième tube. Par exemple, le matériau du premier tube 51 résiste mieux à la corrosion que le matériau du deuxième tube 52. L'ensemble des tubes 51 et 52 constituent le tube bicouche 50. Le tube 15 50 est introduit dans l'outil 53 qui forme des ondulations. L'outil 53 peut être constitué par des galets presseurs et un noyau tournant. L'outil 53 peut également être un outil d'hydroformage. Le tube 50 est inséré dans un moule. La paroi interne du tube 50 est soumise à une pression uniforme par l'intermédiaire d'un fluide (par exemple de l'eau). La pression est 20 choisie suffisamment élevée pour déformer le tube 50 de manière à ce qu'il épouse la forme du moule. Le tube onduleux peut également être fabriqué selon le deuxième procédé avec trois tubes ou plus. REVENDICATIONS 1) Conduite flexible comportant un tube métallique étanche dont la paroi comporte des ondulations, et une vote de résistance à la pression en fil métallique enroulé hélicodalement autour dudit tube métallique, caractérisée en ce que ladite paroi du tube comporte au moins deux couches. 2) Conduite flexible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube métallique étanche comporte un feuillard onduleux enroulé hélicodalement autour de l'axe de la conduite, les spires du feuillard recouvrant les spires adjacentes sur au moins une période d'ondulations. 3) Conduite flexible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la période d'ondulation est constituée d'une crête et d'un creux, le feuillard onduleux comportant trois crêtes et deux creux, les spires du feuillard recouvrant deux crêtes et un creux des spires adjacentes et en ce qu'un cordon de soudure hélicodal solidarise trois spires superposées. 20 4) Conduite flexible selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la période d'ondulation est constituée d'une crête et d'un creux, le feuillard onduleux comportant quatre crêtes et trois creux, les spires du feuillard recouvrant deux crêtes et trois creux des spires adjacentes et en ce 25 qu'un cordon de soudure hélicodal solidarise quatre spires superposées. ) Conduite flexible selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que ledit cordon de soudure est disposé dans un creux. 6) Conduite flexible selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que ledit cordon de soudure est disposé sur une crête. 7) Conduite flexible selon l'une des revendication 2 à 6, caractérisée en ce 5 que ledit feuillard comporte une première face constituée d'un premier matériau et une deuxième face constituée d'un deuxième matériau qui résiste mieux à la corrosion que ledit premier matériau. 8) Conduite flexible selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisée en ce que les ondulations sont en hélice formant un angle supérieur à 80 par rapport à l'axe de la conduite. 9) Conduite flexible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube métallique étanche comporte un premier tube et un deuxième tube 15 coaxiaux. ) Conduite flexible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la forme dudit fil de la vote coopère avec la forme desdites ondulations. 11) Conduite flexible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une gaine d'étanchéité en polymère extrudé est disposée autour de ladite vote. 12) Procédé de fabrication d'une conduite flexible comportant les étapes: a) on impose un mouvement d'avance à un feuillard, b) on déforme plastiquement le feuillard par profilage pour obtenir un feuillard profilé, la section du feuillard profilé comportant au moins deux périodes d'ondulations, c) on enroule le feuillard selon une hélice autour de l'axe de la conduite pour réaliser un tube onduleux, au moins une période d'ondulations dudit feuillard profilé recouvrant l'extrémité dudit tube onduleux pour que ledit tube comporte au moins deux couches, d) on réalise un cordon de soudure entre lesdites couches, e) on enroule un fil métallique selon une hélice autour dudit tube onduleux pour réaliser une vote. 13) Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'à 10 l'étape d), on réalise le cordon de soudure de manière continu et en suivant une hélice. 14) Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'à l'étape d), on réalise le cordon sur une extrémité libre du 15 feuillard profilé. ) Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 13 caractérisé en ce qu'à l'étape c), l'angle d'enroulement par rapport à l'axe de la conduite est supérieur à 80 . 16) Procédé de fabrication d'une conduite flexible comportant les étapes: a) on fabrique un premier tube cylindrique, b) On fabrique un deuxième tube cylindrique coaxial au premier tube pour obtenir un tube cylindrique à deux couches, c) On forme des ondulations sur le tube cylindrique à deux couches.