Brevet FR2885672A1 — publié le 20061117

Conduite tubulaire flexible à gaine anti-usure La présente invention se rapporte aux conduites tubulaires flexibles 5 pour le transport des hydrocarbures. Elle concerne plus précisément une conduite du type de celle décrite dans les documents normatifs publiés par l'American Petroleum Institute (API) et notamment les documents API 17J et API RP 17B. Ce type de conduite comprend des couches successives io indépendantes les unes des autres constituées d'une part, d'enroulements hélicoïdaux, de bandes et/ou de fils de forme et d'autre part, d'au moins une gaine en matériau polymère. Tandis que les couches métalliques ont une fonction de reprise des efforts mécaniques, tant internes qu'externes, les gaines en polymère ont elles une fonction d'étanchéii:é interne ou is externe. Les différentes couches sont dans une certaine limite mobiles les unes par rapport aux autres de manière à permettre à la conduite de fléchir. Il existe différentes structures pour ces conduites, ce Rendant elles présentent toutes généralement un ensemble de couches dénommé voûte de pression, destiné à la reprise des efforts radiaux, et un ensemble de couches destiné à la reprise des efforts axiaux. Usuellement, la voûte de pression située vers l'intérieur de la conduite, est constituée d'un enroulement en hélice à pas courts d'un fils de forme et les couches destinées à la reprise des efforts axiaux situées vers l'extérieur de la conduite sont généralement constituées d'une paire de nappes d'armures de fils croisés enroulés hélicoïdalement selon un pas long. Aussi, afin d'éviter qu'au moins deux de ces nappes d'armures ne soient directement en contact l'une contre l'autre, ce qui provoquerait leur usure prématurée, une couche intermédiaire relativement fine en matériau plastique est interposée. On pourra notamment se référer au document EP 0 929 767, lequel décrit une conduite équipée d'une telle couche intermédia re anti-usure ( anti- wear layer en langue anglaise). Il est connu de réaliser une telle couche anti-usure par enroulement 5 hélicoïdal d'une bande anti-usure obtenue par extrusion c'un matériau plastique à base de polyamide ou de polyoléfines. Toutefois, ces couches intermédiaires se détériorent rapidement, lorsque les conduites flexibles subissent des contraintes sévères, telles que celles rencontrées pour l'exploitation de certains gisements pétroliers sous-marins, située à grande profondeur, et où l'hydrocarbure est à une température élevée voisine de 130 C. Dans de telles conditions, ces couches intermédiaires anti-usure peuvent endurer des É:empératures voisines de 110 C. et des pressions de contact de l'ordre cle 300 à 400 bars. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est alors, de proposer une conduite tubulaire flexible dont la couche intermédiaire anti-usure en matériau plastique est non seulement résistante dans des conditions sévères d'utilisation, ma s aussi est susceptible d'être obtenue à un coût avantageux. Dans ce but, et selon un premier aspect, l'invention propose une conduite tubulaire flexible pour le transport des hydrocarbures, ladite conduite tubulaire flexible comprenant au moins deux nappes d'armures métalliques séparées par une couche anti-usure en matériau plastique, chacune desdites nappes étant réalisée par enroulement hélicoïdal d'un élément métallique longitudinal, ladite couche anti-usure étant réalisée par enroulement hélicoïdal d'une bande dudit matériau plastique; selon l'invention, ledit matériau plastique comprend un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans l'utilisation d'un polymère amorphe, seul ou en mélange, dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C, dans le matériau plastique utilisé pour former une couche intermédiaire anti-usure. Par exemple, la température de transition vitreuse du polymère amorphe est comprise entre 210 et 240 C. Alors que les polymères amorphes à hautes performances ne sont pas recommandés dans les applications ou des qualités tribclogiques sont recherchées et notamment la résistance à l'usure, il s'avère que de façon tout à fait surprenante, de tels matériaux conservent leurs propriétés durant toute la durée de vie de la conduite tubulaire flex ble. D'autres matériaux, auraient pu être avantageusement envisagés, parmi les matériaux semi-cristallins à hautes performances, cependant, d'une part io ils sont malaisés à mettre en oeuvre par extrusion sous forme de bande de grande longueur, ce qui était absolument nécessaire pour pouvoir enrubanner les conduites, et d'autre part ils sont extrêmement coûteux. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit polymère amorphe est un polymère comprenant un groupement sulfoné ou plus précisément un groupement sulfone ( sulfone group en langue anglaise). C'est-à-dire, un groupement comprenant un atome de soufre et deux atomes d'oxygène liés à l'atome de soufre par deux doubles liaisons. De tels pclymères sont usuellement utilisés dans le domaine de l'injection plastique mais aucunement dans le domaine de l'extrusion où des polymères de poids moléculaire élevé doivent être utilisés. De la sorte, grâce à l'utilisation de polymères à groupements sulfonés relativement peu coûteux, dont la température Je transition vitreuse est en moyenne proche de 220 Celsius, la couche ntermédiaire anti-usure est relativement résistante, et elle ne flue pas entre les éléments enroulés de chacune des nappes d'armures dont l'espacement peut atteindre quelques millimètres. Elle ne flue pas notamment lorsqu'elle est portée à des températures de l'ordre de 110 et qu'elle est soumise à une pression voisine de 400 bars. Ces conditions peuvent être réunies dans le cas d'une exploitation pétrolière de grands fonds. E n outre, ces polymères à groupements sulfonés confèrent au matériau plastique une grande résistance à l'hydrolyse, ce qui ralentit leur vieillissement. Préférentiellement, ledit polymère amorphe est un polyphenylsulfone (PPSU) , qui présente toutes les caractéristiques mécaniques, thermiques et de vieillissement requises. Par ailleurs, ledit matériau plastique comporte au moins 60 % en poids dudit polymère amorphe, le complément constitué de différents additifs, notamment des charges, étant par conséquent inférieur à 40 %. Avantageusement, ledit matériau plastique comporte an outre une charge destinée à réduire le coefficient de frottement dudit matériau plastique de façon à ce que les nappes d'armures puissent jouer les unes io par rapport aux autres lorsque la conduite fléchit, la couche intermédiaire en matière plastique autorisant alors le frottement des armures contre elle, malgré les pressions élevées qui s'exercent. Selon un mode préféré de mise en oeuvre, ledit matériau plastique présente une proportion massique en charge inférieure à 20%, ce qui permet de conférer un bon coefficient de frottement de la couche intermédiaire contre les nappes d'armures, tout en conservant des performances mécaniques suffisantes pour l'application. Par exemple, ladite charge est un matériau synthétique du type des polymères fluoré ou perfluoré de masse moléculaire adaptée à l'utilisation sous forme d'huile, de pâte ou de poudre. La charge peut être également constituée de bisulfure de molybdène ou encore de composés à chaîne grasse aliphatique, halogénées ou non. Par ailleurs, le matériau plastique ainsi réalisé, confère aux couches anti-usure une tenue au fluage dans les conduites tubulaires flexibles que ne présentaient pas les matériaux plastiques antérieuremert utilisés. Le fluage des couches anti-usure entre les spires des armures d'une structure flexible, est un phénomène complexe difficile à modéliser et qui impose énormément de tests dans les conditions de service des conduites flexibles. En outre, les notes techniques des polymères disponibles sur le marché, ne fournissent aucune information ni caractéristique permettant de faire un choix raisonné de polymère permettant de résoudre ce problème technique du fluage. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, ledit matériau plastique comporte en outre un polymère semi-cristallin, pE r exemple un polyetherethercetone (PEEK) mélangé avec le polymère amorphe dans une proportion massique inférieure à 20 %, par exemple entre 5 et 15 % de polyetherethercetone, de façon à bénéficier à la fois des propriétés du polymère amorphe, et du polymère semi-cristallin qui présente en général de bonnes propriétés tribologiques. En outre, ledit matériau plastique présente avantageusement un module d'élasticité en traction ( tensile modulus en lanç ue anglaise), io mesuré selon la norme ASTM D 638, à une température de 20 C., compris entre 1800 et 3200 MPa. Ceci confère à la bande dudit matériau plastique une raideur en flexion permettant un enroulement hélicoïdal autour de la conduite sans aucune difficulté. Par exemple, ce module d'élasticité est compris entre 2100 et 2700 MPa. De préférence, ledit matériau plastique de la couche intermédiaire, présente, à la limite au seuil d'écoulement en traction ( tensile strength at yield en langue anglaise), une tension supérieure à 40 MPa et avantageusement 60 MPa, de manière à pouvoir résister durant la pose autour d'une nappe d'armures, au cours de laquelle une bande de matériau plastique peut subir des contraintes de l'ordre de plusieurs dizaines de MPa. En outre, et ce de façon particulièrement avantageuse, ledit matériau plastique, à la limite au seuil d'écoulement en traclion, présente un allongement supérieur à 5% et de préférence supérieur à 7 %, de façon à être suffisamment élastique pour suivre les mouvements de la conduite flexible en service. En outre, et ce de manière préférée, le matériau plastique présente un allongement à la rupture en traction ( elongation at break en langue anglaise) supérieur à 20 % et préférentiellement supérieur à 50 %. Selon un second aspect l'invention propose un procédé de production d'une conduite tubulaire flexible pour le transport des hydrocarbures, ledit procédé étant du type selon lequel on enroule hélicoïdalement en séquence au moins deux éléments métalliques longitudinaux pour former deux nappes d'armures, des bandes en matériau plastique étant enroulées hélicoïdalement entre lesdites nappes d'armures pour former une couche anti-usure; selon l'invention, on utilise un matériau plastique comprenant un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C, pour former lesdites bandes. En outre, et de façon particulièrement avantageuse, ledit matériau plastique est extrudé, ce qui permet de simplifier la mise en oeuvre du matériau et notamment pour former des feuilles de faible épaisseur et de grande longueur. Préférentiellement, on refend lesdites feuilles pour obtenir lesdites bandes de manière à les conditionner pour les installer sur un dispositif de production des conduites. Par ailleurs, lesdites bandes sont avantageusement aboutées par soudure par ultrasons. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lequel: - l'unique figure est une vue schématique partielle en perspective 20 d'une conduite tubulaire flexible conforme à l'invention. L'unique figure montre ainsi partiellement une portion de conduite flexible 2 comprenant, de l'intérieur 4 vers l'extérieur 6: un tube métallique flexible ou carcasse 7, réalisé par enroulement hélicoïdal à aas court de feuillards ou de fils métalliques; une gaine d'étanchéité interne ou de pression 8 disposée autour de la carcasse 7; une couche de recouvrement 10 entre la carcasse 7 et la gaine de pression 8; une voûte de pression 16 formée d'un enroulement à pas court autour dé la gaine de pression 8, d'un fil de forme métallique agrafé et destiné à reprendre les efforts de pression interne; une première nappe d'armures da traction 18 et, une seconde nappe d'armures de traction 20. Ces nappes d'armures sont formées de fils enroulés à pas longs et sont destinées à reprendre les efforts longitudinaux de traction auxquels peut être soumise la conduite flexible 2. En outre, et conformément à l'invention, la conduite 2 présente un premier enroulement hélicoïdal 22 d'une bande de matériau plastique pour former une première couche anti-usure entre la voûte de pression 16 et la première nappe d'armures 18, et un second enroulement hélicoïdal 24 d'une bande du même matériau plastique pour former une seconde couche antiusure entre les deux nappes d'armures de traction 18, 20. Grâce à ces deux couches anti-usure, les nappes d'armures 18, 20 et la io voûte de pression 16 ne sont pas respectivement et directement en contact les unes avec les autres, de sorte que, lors du fléchissement de la conduite flexible 2, il n'y a pas d'usure due aux frottements des armures métalliques les unes contre les autres. Ces bandes en matériau plastique comprennent un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C. et avantageusement entre 210 et 240 C, et sont obtenues par extrusion. On détaillera ci-après les compositions de matériau plastique utilisables et plus particulièrement le type de polymère amorphe adapté. Les polymères amorphes, qui ne sont pas réputé;; pour leurs performances tribologiques, c'est-à-dire leur résistance à l'usure par frottement, se sont révélés comme étant d'excellents matériaux dans cette application anti-usure des couches d'armures. Les polymères amorphes révélés comme étant de bols candidats dans l'application précitée, sont le polysulfone (PSU), le polyethersulfone (PES), le polyphenylsulfone (PPSU) et le polyetherimide (F'EI) dont les températures de transition vitreuse sont comprises entre 185 et 250 C. Parmi ces polymères, les polymères comprenant un groupement sulfoné (PSU, PES et PPSU) apparaissent comme étant les plus résistants. En effet, ils présentent un module d'élasticité en traction voisin de 2500 MPa et un allongement à la rupture, en traction, supérieur à 60 %. En outre, ils présentent un allongement au seuil d'écoulement en traction supérieur à 5 %, et une contrainte au seuil d'écoulement en traction supérieure à 60 MPa. Par ailleurs, le mélange avec des composés fluorés ou l)erfluorés du type potytétrafluoroéthylène (PTFE) ou perfluoropolyéther (PFPE) ou encore avec du bisulfure de molybdène, permet non seulement d'augmenter la ductilité du matériau plastique mais au surplus, d'améliorer son coefficient de frottement avec les armures métalliques. En outre, la tenue à l'hydrolyse et la résistance c-iimique des matériaux amorphes précités, est très nettement supérieurs à celle des io polyamides par exemple, antérieurement utilisés pour réaliser des couches anti-usure. De plus, les matériaux amorphes retenus présentent une température de transition vitreuse bien supérieure à la température de service à laquelle la matière plastique est soumise, au maximum de 110 C., de telle sorte que les propriétés mécaniques en servi.-,'e sont peu affectées. En conséquence, les matériaux conservent leurs caractéristiques antiusure d'une part, et d'autre part, ne se détériorent pas au fil du temps et des mouvements de la conduite tubulaire flexible alors que les contraintes, et notamment les contraintes de pression, sont extrêmement fortes, de l'ordre de 300 à 400 bars. D'autres polymères, semi-cristallins ceux-là, auraient pu convenir compte tenu de leurs propriétés et notamment de leurs caractéristiques tribologiques. Il s'agit notamment, du polyétheréthercétone (PEEK), du polyimide (PI), des polymères à cristaux liquides (LCP), du polyphtalamide (PPA), ou du polysulfure de phénylène (PPS). Toutefois, il:; présentent l'inconvénient d'être coûteux et d'une mise en oeuvre peu aisée, notamment pour réaliser des feuilles par extrusion. En outre, des charges renforçantes du type fibre de verre ou fibre de carbone par exemple, doivent leur être ajoutées pour augmenter leur capacité de déformation sous charge. En revanche, ils peuvent être mélangés aux polymèn:s amorphes précités, dans une limite de 20 % en poids, préférentiellement entre 5 et 15 %, de manière à conférer des propriétés tribologiques intr nsèques aux polymères semi-cristallins au matériau plastique précité. L'invention concerne également un procédé de production des conduites tubulaires flexibles pour le transport des hydrocarbures. La proportion en poids du polymère amorphe dans le matériau plastique est supérieure à 60 % et avantageusement elle est supérieure à 80 %. Selon un mode de réalisation particulier de l' nvention, le io polyphenylsulfone (PPSU) est mélangé avec 15 % de polytétrafluoroéthylène (PTFE), et extrudé à travers une filière plate de grande largeur, par exemple 1,00 mètre, de façon à obtenir une feuille de grande longueur de 1,5 mm d'épaisseur et de sensiblement 1,00 mètre de large. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le mélange comporte 80 % de polyphenylsulfone (PPSU), 10 % de polyétheréthercétone (PEEK) et 10 % de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Simultanément, après refroidissement, la feuille est enroulée pour réaliser une bobine mère de quelques centaines de mètres. Ensuite, la feuille est refendue pour obtenir des bandes de 50 à 100 mm de large qui sont réenroulées sur des bobines filles pour être installées sur un dispositif d'enrubannage classique monté en ligne avec une spiraleuse ou une armeuse de pose des fils métalliques d'armures. En conséquence, il n'est nul besoin de modifier ou d'adapter ledit dispositif d'enrubannage existant, pour y installer ces bandes de matériau plastique. Selon le procédé, on enroule hélicoïdalement d'abord, et à pas courts, un fil de forme pour réaliser la voûte de pression 16. Ensuite, une bande en matériau plastique, du type précité contenant un polymère amorphe, est enroulée hélicoïdalement pour réaliser le premier enroulement 22 sur la voûte de pression 16. Cette bande en matériau plastique est généralement appliquée avec une tension de l'ordre de 100 à 150 daN, ce qui induit une contrainte moyenne sur la bande de l'ordre de 10 à 20 MPa. En outre, et selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, les bandes en matériau plastique sont aboulées, lorsque cela est nécessaire, par soudage ultrason par points. Pour ce faire, les deux extrémités de bande à abouter sont portées l'une au-dessus de l'autre et une sonotrode adaptée est appliquée sur les deux extrémités. Puis, la première armure de traction 18 est formée sur le premier enroulement 22 et une bande de matériau plastique est à nouveau io enroulée hélicoïdalement sur l'armure de traction 18 pour former le second enroulement 24. Enfin, la seconde armure de traction 20 est appliquée sur le second enroulement 24 puis est recouverte d'une gaine de protection 26. Toutefois, d'autres couches, synthétiques ou métalliques sont 15 susceptibles d'être incorporées à la conduite flexible 2 en amont de la voûte de pression 16 ou en aval de la seconde armure de traction 20. REVENDICATIONS 1. Conduite tubulaire flexible (2) pour le transport des hydrocarbures, ladite conduite tubulaire flexible comprenant au moins deux nappes d'armures métalliques (18, 20) séparées par une couche anti-usure (24) en matériau plastique, chacune desdites iappes étant réalisée par enroulement hélicoïdal d'un élément métallique longitudinal, ladite couche anti-usure (24) étant réalisée par enroulement hélicoïdal d'une bande dudit matériau plastique; io caractérisée en ce que ledit matériau plastique comprend un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C. 2. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit polymère amorphe est pan polymère 15 comprenant un groupement sulfoné. 3. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit polymère amorphe est un polyphenylsulfone. 4. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit matériau plastique comporte au moins 60 % en poids dudit polymère amorphe. 5. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit matériau plastique comporte en outre une charge destinée à réduire le coefficient de frottement dudit matériau plastique. 6. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit matériau plastique présente une proportion massique en charge inférieure à 20%. 7. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que ladite charge est un matériau synthéti lue fluoré ou perfluoré. 8. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit matériau plastique comporte en outre un polymère semi-cristallin. 9. Conduite tubulaire flexible selon la reverdication 8, caractérisée en ce que ledit matériau plastique présente ur e proportion massique en polymère semi-cristallin inférieure à 20%. 10. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit matériau plastique présente un module d'élasticité en traction compris entre 1300 et 3200 MPa. 11. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit matériau plastique présente, à la limite au seuil d'écoulement en traction, une tension supérieure à 40 MPa. 12. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ledit matériau plastique, à la limite au seuil d'écoulement en traction, présente un allongement supérieur à 5%. 13. Procédé de production d'une conduite tubulaire flexible (2) pour le transport des hydrocarbures, ledit procédé étant du type selon lequel on enroule hélicoïdalement en séquence au moins deux éléments métalliques longitudinaux pour former deux nappes d'armures (18, 20), des bandes en matériau plastique étant enroulées hélicoïdalement entre lesdites nappes d'armures pour former une couche anti-usure (24); caractérisé en ce qu'on utilise un matériau plastique cornprenant un polymère amorphe dont la température de transition vitreuse est comprise entre 175 et 255 C, pour former lesdites bandes. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit matériau plastique est extrudé sous forme de feuilles de grande longueur. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'on refend lesdites feuilles pour obtenir lesdites bandes. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites bandes sont aboutées par soudure par ultrasons.